بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک دیود نور گسیل آلی با ساختار ITO/TPD/Alq3/Al طراحی و تک لایه نقاط کوانتومی CdSe درون آن قرار داده شده است.برای آنکه تابش الکترولومینانس دیود صرفا ناشی از نقاط کوانتومی باشد،تعادل میان حامل های بار و محل قرار گرفتن نقاط کوانتومی بسیار مهم و تعیین کننده خواهد بود.در این مقاله تاثیر این دو پارامتردر لایه های آلی دیود و مکانیسم های انجام شده در آن مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
دیود های نور گسیل ارگانیکی در سال 1987 در شرکت کوداک ساخته شدند1]وOLED [2 ها با داشتن توان مصرفی پایین، درخشندگی بالا و ضخامت بسیار کم قطعه در اصل برای استفاده در نمایشگرهای تخت پیشنهاد شدند که در حال حاضر در اختیار نمایشگرهای کریستالی مایع - LCD - ها است.[3] نمایشگرهای LCD به دلیل تلفات ناشی از فیلترهای جذب رنگ ، زاویه دید کم و بازدهی توان پایین دارند. در مقابل، OLED ها به جای انتقال، تکیه بر انتشار نور داشته که تلفات بهره وری در فیلتر رنگ و صفحات پلاریزه را حذف می کند.
از آنجا که OLED ها ساطع کننده چند وجهی1 هستند در نتیجه نمایشگرهای آنها زاویه دید گسترده ای دارند. یکی از چالش های عمده در تکنولوژی OLED فقدان روشهای طراحی و الگوهای ارزان و قابل اطمینان برای پیکسل های رنگ های متفاوت است.همچنین به دلیل آنکه OLED ها از مولکول های کوچک ارگانیک تشکیل شده اند با تکنیک های الگودهی سنتی لیتوگرافی2 که نیاز به قرار گرفتن در معرض حلال ها داشته و ساختارهای OLED را نابود می کند سازگار نیستند.
LED های کوانتومی کلوییدی ارگانیک هیبریدیQD- - [4] - LED از نانوکریستالهای4 بسیار تابنده 2- 20 - نانومتر در دیامتر - نیمه هادی های غیر ارگانیک استفاده می کند که از سنتز شیمیایی فلزی - آلی5 ساخته می شوند
استفاده از این روش سنتز،QD های کریستالی پوشانده شده با لیگاندهای6 ارگانیک را نتیجه می دهد که باعث اطمینان از انحلال پذیری شان در طیف وسیعی از حلال های ارگانیک و آب می گردد.اثرات سلول کوانتومی7 بر ساختار الکترونیکی QD های کلوییدی حکمفرماست که منجر به وابستگی اندازه QD به طیف لومینانس و جذبی8 می شود. از این رو امکان تنظیم طیف را در کل قسمتهای مرئی و مادون قرمز فراهم می کن
اولین نمایش موفق QD-LED های کارآمد در سال 2002 آمدند.[4] دراین قطعه یک تک لایه از QD ها درون ساختار OLED های مرسوم جاسازی شده بود که نتیجه، بازده کوانتومی خروجی %0/5 و طیف الکترولومینانس تحت تابشQD باریک بود.
وجود لیگاندهای ارگانیک در ساختارهای هیبریدی کلوئیدی نقاط کوانتومی که نانو کریستال های نیمه هادی را پوشانده باعث انحلال پذیری آنها در آب و حلال های آلی در عین واکنش ناپذیر ی شان می شود. سازگاری با فرآیند حل ، امکان توسعه روش های الگودهی موثر و ارزان QD مانند چاپ میکروکنتاکت8 ها را می دهد 7].و[8 این روشها امکان پیکسل گذاری ارزان از QD-LED ها را با این الگوی ساده فراهم می سازد یعنی در حالیکه لایه های انتقال بار ارگانیک به همان حال نگه داشته شود؛ هر رنگ با یک QD درون ساختار قرار بگیرد.
-2 ساختار QD_LED
یک LED هیبریدی ارگانیک با نقاط کوانتومی در اصل توسعه یافته یک OLED می باشد.
اولین LED های ارگانیک با نقاط کوانتومی هیبریدی، مخلوط پلیمر و نقاط کوانتومی را بعنوان لایه تابنده به کار برد که بین آند ITO و کاتد فلزی محدود شده بود[10] این قطعات همانند مواد توسعه یافته شان یعنی قطعاتی که QD چند لایه ته نشین شده بر روی لایه های انتقال بار بین الکترودها را به کار برده است[11] کم بازده بودند.چرا که انتقال بار از QD به QD به دلیل لیگاندهای ارگانیک جداکننده که QD های کلوئیدی را احاطه کرده اند؛ ضعیف است.QD پر بازده اولین بار دریک قطعه مشاهده شد که یک تک لایه QD کلوئیدی به صورت بسته بندی شده بین لایه انتقال حفرهTPD 1یا - - HTL و لایه انتقال الکترون2 Alq3 یا - ETL - قرار گرفت که درشکل 1-1 نمایش داده شده.
این قطعه EQE3 حدود %0/5 را نشان داده و طیف EL تحت تابش آن باریک می باشد - بر پایه تابش QD نازک می باشد - [4] این طراحی QD-LED امتیاز انتقال موثر حامل درمیان لایه های نیمه هادی ارگانیک و حداقل کردن سهم انتقال QD به QDرا دارد.
- 2 الکترون ها و حفره ها می توانند در لایه های Alq3 و TPD همدیگر را ملاقات کرده و به شکل اکسایتون ها در مولکول های ارگانیک دربیایند.
- 3 اکسایتون ها در TPD و Alq3 انرژی های بیشتری - که در نمودار نواری شکل 1-1 مشخص است - نسبت به باند ممنوعه QD های قرمز دارند بنابراین این اکسایتون ها می توانند از طریق مکانیسم انتقال انرژی فورستر به QD منتقل شده و آنجا باز ترکیب شوند. انرژی انتقال فورستر فرآیند رزونانسی است که نتیجه فعل و انفعال دوقطبی-دوقطبی بین مولکول های دهنده4 و پذیرنده5 بوده و در طول این فرآیند انرژی ناشی از بازترکیب اکسایتون دهنده انتقال غیر تابشی داشته و برای ایجاد یک اکسایتون در مولکول پذیرنده استفاده می شود.
انتقال انرژی فورستر انرژی دور برد است که طی آن مولکول های دهنده و پذیرنده لازم نیست در مجاور هم باشند. فاصله بحرانی که در آن انتقال فورستر اتفاق بیفتد ، شعاع فورستر نامیده شده و با هم پوشانی و اشتراک گذاری اوربیتال های مولکولی پذیرنده و دهنده تعیین می شود.برای انتقال فورستر سه شرط اساسی لازم است: - 1 طیف تابشی یا نشری فلورسانس مولکول دهنده با طیف جذبی گیرنده همپوشانی داشته باشد. - 2 دو مولکول در فاصله نزدیک حدود 1 تا 10 نانومتر باشند. - 3 طول عمر فلورسانس دهنده آنقدر باشد که اجازه انتقال فورستر را بدهد.
-1-2 دو چالش عمده طراحی
شکل - a - :1-1 طرح کارتونی یک QD-LED اولیه. - b - طرح نواری یک .QD-LED
مشابه OLED ، در این قطعه حفره ها از آند ITO به درون TPD - HTL - تزریق می شوند و الکترون ها از کاتد Mg : Ag به درون Alq3 تزریق می شوند.
الکترون ها و حفره ها سپس به اتصال TPD/ Alq3 منتقل می شوند، جایی که QD ها ته نشین شده اند.
فرآیندهای امکان پذیر متعددی ممکن است در نزدیکی تک لایه QD رخ بدهد : - 1 الکترون ها و حفره ها به درون QD ها به فرم اکسایتون تزریق شوند. که می توانند به صورت پرتوزا باز ترکیب شده و تابش باریک QD را تولید کنند.اکسایتون یک جفت الکترون-حفره است که در فاصله شعاع اکسایتونی یا شعاع بوهر قرار گرفته و می توانند به طور تابشی بازترکیب شود.
همانطور که از نمودار نواری شکل 1-1 مشخص است درحالی که تزریق حفره درون QD ها با یک سد انرژی تقریبا حدود 1ev مسدود می شود، هیچ سد اشکاری برای تزریق الکترون به درون باند هدایت QD از طرف - نزدیک - لایه الکتروشیمیایی ارگانیک نازک - حدود 0 .5 نانومتر - وجود ندارد که حامل ها بتوانند درون آن تونل زنی کنند. تفاوت در ارتفاع سد برای تزریق حفره و الکترون در QD ها منجر به عدم تعادل نواحی QD می گردد که شکل گیری مکرر جفت الکترون -اکسایتون ها را نتیجه می دهد که می تواند با یک فرآیند مته ای5 غیر تابشی بازترکیب شوند. بازترکیب مته ای نیاز به وجود یک اکسایتون و یک حامل غیر جفت شده - الکترون یا حفره - در یک ناحیه QD دارد،
و هنگامی می تواند رخ دهد که غلظت یک نوع حامل بار به طور قابل توجهی بیشتر از غلظت نوع دیگر در یک QD شود.در طول بازترکیب مته ای، انرژی آزاد شده از بازترکیب اکسایتون، حامل غیر جفت شده را به سطح انرژی بالاتر می برد که می تواند از آنجا با آزاد کردن گرما به حالت پایه خود برود..[12]بازترکیب مته ای در یک مقیاس زمانی 100ps سریع تر از طول عمر بازترکیب تابشی QD ها رخ می دهد.[13] که 10ns است.15]و[14 و خاموشی سریع لومینانس QD را نتیجه می دهد.
و اما چالش دوم،همانطور که در مقدمه ذکر شد QD ها برای اینکه بتوانند اکسایتون های تشکیل یافته در همسایگی لایه های نازک ارگانیک را بپذیرند، باید یک طیف جذبی متقاطع با طیف تابشی مواد ارگانیک مربوطه داشته باشند.شکل 1-2 - a - طیف جذبی متقاطع QD های قرمز،سبز و آبی و طیف تابشی TPD مواد ارگانیک - HTL - که معمولا استفاده می شوند و Alq3 - ETL - را نشان می دهد.واضح است که QD های قرمز می توانند به طور موثر اکسایتون ها را از هردوی TPD و Alq3 بپذیرد،QD های سبز می توانند تنها اکسایتون ها را از TPD بپذیرند، و در پایان QD های آبی می توانند تنها به طور ضعیف اکسایتون های TPD را بپذیرند.
بعلاوه تقاطع جذبی Alq3 و تابشی QD آبی در شکل 1-2 - b - به یک انتقال انرژی ممکن از QD های آبی به مولکول های اشاره می کند که یک EQE کاهش یافته QD-LED آبی و حضور یک سیگنال Alq3 در طیف EL مربوط به QD-LED را نتیجه می دهد.
شکل - a - :1-2 طیف جذبی QD های قرمز، سبز و آبی با توجه به طیف PL مربوط به Alq3 و TPD نشان داده شده. - b - طیف جذبی Alq3 با توجه به طیف PL مربوط به QD آبی نشان داده شده است.
بازترکیب شده که منجر به مشارکت غیر مطلوب Alq3 در طیف EL مربوط به QD-LED می گردد.
-2-2 حل چالش ها و بهبود الکترولومینانس و بازدهی کوانتومی خروجی - EQE -
برای حل چالش های مطرح شده، ما یک لایه انسداد کننده حفره یا HBL1 را مطرح می کنیم که هردو مسئله بالا را حل می کند،در واقع این لایه به عنوان لایه جداکننده عمل کرده که از انتقال انرژی از QD ها و تشکیل اکسایتون روی لایه Alq3 جلوگیری می کند.
شکل - a - :2-2 طرح برش سطحی از QD-LED آبی. - b - دیاگرام باندی متناظر با یک .QD-LED پهنای باند گپ های متفاوت با رنگ های قرمز، سبز و آبی به ترتیب برای QD های قرمز، سبز و آبی رنگ شده اند.
شکل 2-2 طراحی یک نمودار نواری متناظر را توضیح می دهد. از نمودار نواری - باند - مشخص است که تزریق مستقیم بار درون QD های آبی مکانیسم اولیه ای است که منجر به EL برای QD می شود.
از تشکیل اکسایتون در TPD با انباشته شدن الکترون در نواحی QD جلوگیری می شود،و از تشکیل اکسایتون در Alq3 بوسیله یک TAZ HBL ممانعت به عمل می آید، و بنابراین عمده اکسایتون ها مستقیما بر روی QD ها شکل می گیرند.
ضخامت HBL شدیدا بر طیف EL مربوط به QD-LEDهای آّبی تاثیر می گذارد. شکل - 2-3 - aطیف EL مربوط به دو QD-LED آبی با 40 - HTL - TPD - نانومتر - و20 - - Alq3 - ETL نانومتر - یکسان، اما ضخامت متفاوت از HBL از نوع 20 - TAZ1 و 27 نانومتر - را نشان می دهد در واقع Alq3 تنها به عنوان یک گودال برای اکسایتون های QD آبی عمل می کند.بنابراین جلوگیری از تشکیل اکسایتون در لایه Alq3 مهم است چرا که این اکسایتون ها نمی توانند به QD های آبی مذکور انتقال یابند
