СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР
ORGANIC LIGHT-EMITTING FIELD-EFFECT TRANSISTOR

Изобретение относится к области оптики, в частности к электролюминесцирующим наноструктурам, и может быть использовано при создании эффективных устройств для отображения алфавитно-цифровой и графической информации. Актуальность создания алфавитно-цифровых дисплеев нового поколения обусловлена растущим потоком визуальной информации и прогрессом в компьютерной технике.
Существует ряд подходов к решению данной задачи, но наиболее перспективным является использование OLED-технологий, позволяющих создавать низкоэнергоемкие органические светоизлучающие устройства. С другой стороны, имеется острая потребность в управлении светоизлучающими устройствами в случае использования их в качестве пикселя алфавитно-цифрового дисплея. Для этих целей в настоящее время используются кремниевые полевые транзисторы. Использование в одном устройстве эффективного излучателя фотонов и возможность управления яркостными характеристиками чрезвычайно привлекательны, но сочетание OLED-технологии и кремниевых транзисторов значительно усложняет и удорожает процесс производства дисплеев. Помимо этого объединение OLED-технологии и кремниевой делает невозможным создание «прозрачных» дисплеев, которые имеют огромные перспективы [http://www.3dnews.ru/news/cebit-2011-samsung].
Для OLED-технологии, в настоящее время, наиболее важным является использование гибридных материалов в качестве активной среды, которые ликвидируют главный недостаток OLED-технологии - недолговечность светоизлучающих материалов. Гибридные материалы представляют собой органическую матрицу с внедренными квантовыми точками (нанообъектами). В настоящий момент в качестве квантовых точек используются полупроводниковые двухкомпонентные нанокристаллы [V.Wood, V.Bulovic, Colloidal Quantum Dot Light-Emitting devices, Nano Reviews 1(2010)5202].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является: светоизлучающий органический полевой транзистор [Raffaella Capelli et al, Organic light-emitting transistor with an efficiency that outperforms the equivalent light-emitting diodes, Nature Materials 9(2010)496], конструкция которого осложнена наличием трех активных слоев различных красителей: дырочно проводящего (DH-4T), активного (Alq3:DCM) и электронопроводящего (DFH-4T). Каждый активный слой дает излучение в разных участках видимого спектра (красный, зеленый, синий - RGB). Такая конструкция чрезвычайно сложна в технологическом исполнении и требует дорогостоящих материалов, что приводит к нерентабельности дисплеев при использовании данной технологии. Все другие светоизлучающие органические полевые транзисторы построены с использованием органических люминофоров в планарной геометрии. Основным недостатком, помимо сложности конструкции и дороговизны, является быстрая деградация органических люминофоров. Сопоставление и оптоэлектронные характеристики различных конструкций светоизлучающих органических полевых транзисторов приведены в недавно вышедшей монографии [М.Н.Бочкарев, А.Г.Витухновский, М.А.Каткова, Органические светоизлучающие диоды (OLED), Нижний Новгород: ДЕКОМ (2011) 360 с.].
Задачей, решаемой изобретением, является создание стабильных светоизлучающих органических полевых транзисторов с высоким квантовым выходом люминесценции и регулируемым спектром излучения в видимом диапазоне длин волн (400-650 нм), что особенно важно для создания алфавитно-цифровых дисплеев нового поколения.
Предлагаемое устройство - светоизлучающий органический полевой транзистор на основе органических соединений с квантовыми точками является оптимальным решением данной задачи.
Поставленная в заявке задача решается следующим образом.
В предлагаемом изобретении использована простейшая схема органического полевого транзистора (см. Фиг.1), при которой на прозрачную подложку (7) (стекло либо полимерную пленку (например, PET)), наносятся электроды «Исток»(6) - «Сток» (5), изготовленные методами фотолитографии, например, из золота (Аu). Предлагается геометрия электродов типа «встречно-штыревых преобразователей», представленная на Фиг.2 (цифрами показаны расстояния между электродами «Исток»-«Сток» в мкм, также показаны токоподводящие площадки). При такой конструкции органического полевого транзистора становится возможным существенно увеличить активную область транзистора за счет значительного увеличения эффективной длины электродов. Затем на структуре с помощью метода spin-coating'a (центрифугирования) наносится слой органического полупроводника (органическая матрица) (4) (например, РУК) с внедренными в нее двухкомпонентными (ядро-оболочка)полупроводниковыми наночастицами квантовыми точками - нанокристаллами (3).
Электрон в наноокристалле ведет себя как электрон в трехмерной потенциальной яме, он имеет ряд стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними , где m - эффективная масса, d - размер квантовой точки. Аналогично переходу между уровнями энергии атома при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон. Возможно также «забросить» электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от перехода между более низколежащими уровнями (люминесценция). При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры квантовой точки.
Предлагается использовать синтезированные методом коллоидной химии [C.B.Murray, D.J.Norris, M.G.Bawendi, J. Am. Chem. Soc., 115(1993)8706] двухкомпонентные полупроводниковые наночастицы, состоящих из полупроводникового ядра (например, CdSe, CdTe) и полупроводникой нанооболочки (например, CdS, ZnS). Полученные наночастицы должны быть покрыты поверхностно-активным веществом (например, tri-n-octylphospine oxide - ТОРО) для предотвращения агрегации. Диаметр ядра наночастиц варьируется от 2.0 нм до 6.0 нм при толщине оболочки 1.0-3.0 нм.
На активный слой наносится запорный слой (2) (парилен). Данная процедура осуществляется в три основные стадии:
1. Возгонка в вакууме димера (ди-пара-ксилилена) при температуре 150°C и остаточном давлении порядка 1 мм рт.ст.
2. Термическое разложение (пиролиз) пара-ксилилена с образованием двух бирадикалов. Условия осуществления этой операции - остаточное давление 0,5 мм рт.ст., температура 680°C.
3. Осаждение бирадикалов на холодной поверхности с одновременной полимеризацией. Осаждение происходит в условиях еще более глубокого вакуума (0,1 мм рт.ст.), но уже при нормальной температуре.
Заключительным этапом является нанесение электрода «Затвор» (1) методом термического напыления в вакууме.
Цифрой (8) на Фиг.1 обозначен излучаемый свет, длина волны которого определяется размером наночастиц.
В Таблице 1 приведены примеры составляющих компонентов светящегося органического полевого транзистора: органической матрицы, квантовых точек в нее внедренных, а также материала запорного слоя. Электроды «исток» - «сток» из золота (Аu), а материал «затвора» - алюминий (Аl). Электроды «исток-сток» могут быть изготовлены также из разноименных материалов (например, золото (Аu) и оловяно-индиевый окисел (ITO)).
Таблица 1
<img file="00000002.tif" he="36" wi="46" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="37" wi="46" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="45" wi="45" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="26" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" />
Структурная формула PVK (поливинилкарбазола - пример органической матрицы)
Тип I - квантовая точка «ядро-оболочка» с зарядами в ядре.
Структурная формула поли-n-ксилилена - материала запорного слоя светящегося органического полевого транзистора
Тип II - квантовая точка «ядро-оболочка» с распределенными зарядами
Устройство работает следующим образом.
При приложении напряжения между электродами «Исток» (6) - «Сток» (5) происходит движение и рекомбинация носителей заряда, приводящая к электронному возбуждению квантовых точек и как следствие - к испусканию света в диапазоне 400-650 нм. Напряжение, приложенное к электроду «Затвор» (1), позволяет регулировать интенсивность излучения света.
on
off
3
Излучение света обусловлено возбуждением квантовых точек разного размера, формы и состава в условиях пространственного квантования (максимальный размер <10 нм). Носители заряда возникают в органической матрице при приложении напряжения на электроды «Исток» (6) - «Сток» (5). Высокая подвижность носителей заряда обеспечивается выбором материала органической матрицы. Квантовые точки возбуждаются под действием зарядов матрицы, а эффективность этого процесса обеспечивается напряжением на электроде «Затвор» (1). Ток носителей заряда в канале светящегося органического полевого транзистора меняется более чем на три порядка (I/I~10) в зависимости от напряжения на электроде «Затвор» (1).
В заявляемом устройстве (см. фиг.1) наноизлучатели квантовые точки (3), помещенные в органическую матрицу (4), которая играет роль эффективной среды для переноса зарядов, инжектируемых электродом «Исток» (6) и принимаемых электродом «Сток» (5), при этом эффективность переноса зарядов по матрице, а следовательно и эффективность излучения квантовых точек определяется напряжением на третьем электроде «Затвор» (1).
Таким образом, предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:
1. стабильностью, обусловленной использованием в качестве эмиттера света полупроводниковых наночастиц (квантовых точек), не подверженных действию атмосферы [M.I.Baraton. Synthesis, Functionalization, and Surface Treatment of Nanoparticles. Am. Sci., Los-Angeles, 2002];
2. высоким квантовым выходом. Сравнение люминесцентных свойств наночастиц с красителями родаминового ряда в растворе и в конденсированной фазе показало, что в конденсированной фазе квантовый выход люминесценции наночастиц на два порядка превышает квантовый выход красителей [M Bruchez, Jr, M Moronne, P Gin, S Weiss, A Paul Alivisatos Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels Science, Vol 281(1998)2013];
3. возможностью регулирования спектра излучения [Л.Е.Воробьев, Е.Л. Ивченко, Д.А. Фирсов, В.А. Шалыгин Оптические свойства наноструктур. С-Пб, Наука, 2001].
2
Возможно использование светящегося органического полевого транзистора в качестве пикселя алфавитно-цифрового дисплея при использовании напряжений 5-10 В и получении яркости свечения порядка 100 кд/м, что соответствует требованиям, предъявляемым к стандартным компьютерным мониторам.