بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک نمونه دیود نور افشان آلی - OLED - ، مبتنی بر کمپلکسهاي باز-شیف پلاتین چهاردندانه، پیشنهاد شد. حضور پیوند چهاردندانه و مشارکت الکترونهاي اتمهاي واسطه پلاتین در انتقالات الکترونی سامانه دیودي، علاوه بر پایداري دیود، باعث فعال شدن کانالهاي گذارهاي تابشی آن، مانند افزایش احتمال رخداد گذار فسفرسان و درو کردن ترازهاي سه تایه میشود. در این راستا، با استفاده از نظریهي کوانتومی تابعیت چگالی - DFT - و نرمافزار شبیه ساز سیلواکو - Silvaco - به مطالعه نظري خواص الکترونی کمپلکس آلی-فلزي پیشنهادي و پیش بینی رفتار فیزیکیOLED طراحی شده براساس این کمپلکس، به عنوان لایه تابنده، پرداخته شد.
سپس، با توجه به ویژگیهاي کمپلکس پیشنهادي، دو نمونه OLED، یکی با داشتن لایههاي انتقال دهنده الکترون - - ETL و حفره - - HTL و دیگري بدون وجود این لایهها طراحی شد. در ادامه، با استفاده از روشهاي کوانتومی محاسباتی و شبیه سازي، خواص ترابردي-فیزیکی این دو دیود طراحی شده مقایسه و ارزیابی شد. نتایج به دست آمده نشان داد که میزان گاف انرژي میان اربیتالهاي مرزي دیودهاي پیشنهادي مناسب به نظر میرسد. همچنین ،نتایج شبیه سازي نشان داد که بهره کوانتومی دیود با استفاده از این ماده تابنده و بدون حضور ETL و HTL افزایش مییابد.
مقدمه
دیودهاي نورافشان آلی با داشتن ویژگیهاي برجستهاي از قبیل روشنایی بهبود یافته و زمان پاسخ سریعتر، گستره رنگی بهتر و هزینه پایینتر نسبت نمونههاي معدنی، توجه بسیاري را در فناوري و دانش الکترونیک-فوتونیک به خود جلب نموده است. امروزه تلاشهاي فراوانی براي دستیابی به OLEDهاي با توان مصرفی پایین و بهره بالا صورت گرفته است و همچنان ادامه دارد.
حضورومشارکت انتقالات الکترونی فلزات سنگین درOLEDهاي الی-فلزي، میتواند برسازوکار جفتشدگی اسپین–مدار اثرگذار باشد. از اینرو، انتخاب صحیح ساختار فلزي و همچنین آرایش فضایی اتمها در سامانه OLED از اهمیت ویژهاي برخوردار است.
تاکنون در جهت افزایش کارایی OLEDهاي با ساختار چند لایه و با گستره تابش وسیع، از کمپلکسهاي آلی مختلفی استفاده شدهاست.[3] به علاوه، معدودي از پژوهشها نشان داده است که کمپلکسهاي باز-شیف میتواند در ساخت OLEDهایی با عملکرد مناسب موثر باشد
از جمله اهداف غایی در دانش الکترونیک مولکولی و فوتونیک، طراحی نظري قطعات الکترونیکی-فوتونیکی بهینه، کارا، و قابل سنتزاست. در این پژوهش، به منظور طراحی نظري یک OLED، یک نمونه سامانه مولکولی بر پایه کمپلکسهاي باز-شیف چهاردندانه پلاتین پیشنهاد شد. سپس،خواص ساختاري، انتقالی و الکترونی این سامانه پیشنهادي با استفاده از DFT بررسی و ارزیابی شد و با استفاده از نرمافزارSilvacoTCAD 2014 به شبیهسازي و محاسبهي ضخامت لایهها در OLED پیشنهادي پرداخته شد.
طراحی نظري دیود آلی-فلزي نور افشان پیشنهادي
کمپلکسهاي باز-شیف پلاتین یک نمونه قابلقبول از مواد فسفرسان با ویژگیهاي مناسب از قبیل سنتز راحت، پایداري حرارتی بالا، وآرایشهاي فضایی متنوع هستند که با تغییر ساختار و گروههاي عاملیشان میتوان خواص الکترونی-انتقالی آنها را تغییر داد.
در این تحقیق،از یک نمونه مشتق سالوفن-فلزي واجد گروههااي کشنده الکترون - فلوئورید - F و گروهاي دهنده الکترون - -C-C-O، کربونیل - به منظور طراحی یک OLED استفاده شد - شکل. - 1 با وجود این گروههاي دهنده - شبه- - n و گیرنده - شبه- - p انتظار میرود بتوان از لایههاي تزریق کننده الکترون و حفره صرف نظر نموده و استفاده این ماده درOLED پیشنهادي مناسب باشد. همچنین، به منظور مطالعه نظري-بنیادین این دیود پیشنهادي از روشهاي کوانتومی - محاسباتی-شبیه سازي - استفاده شد.
روش انجام محاسبات کوانتومی
بهینهسازي هندسه و محاسبه خواص الکترونی و تابع موج الکترونی سامانه مولکولی پیشنهادي بااستفاده ازDFT، تابعیت چگالی ترکیبی اصلاح شده شیبی UB3LYP/B3LYP و مجموعه پایهي6-31G* براي حالات اسپینی یکتایی و سه تایی با استفاده از بستههاي نرمافزاري G09 انجام شد. همچنین، امکان حصول هندسهي بهینه مولکولی، پایداري ساختار مولکولی و برقراري قضیهي ویریال مولکولی در انجام محاسبات درنظر گرفته شد.
همچنین،فاصله میان اربیتالهاي مرزي HOMO و LUMO بهعنوان معیاري جهت تخمین میزان سهولت انتقال بار در سامانههاي مولکولی درنظر گرفته شد. الگوي توزیع چگالی و انرژیهاي جنبشی محلی در مقیاس اتمی محاسبه شد. برخی از نتایج به دست آمده در شکلهاي - - 1 و - - 2 نشان داده شده است.
تحلیل نتایج به دست آمده نشان داد که مقدار گاف انرژي میان اوربیتالهاي مرزي، براي دیود پیشنهادي هم از لحاظ پایداري و هم از لحاظ ترابري و هم از لحاظ گستره تابشی مناسب میباشد. بهعلاوه، اثر چندگانگی اسپین روي انرژي اوربیتالهاي مرزي مشهود است - شکل. - 1 این موضوع میتواند به مطالعه سازوکار شکافتگی ترازهاي تکتایه و سهتایه و نرخ تبدیلات بین سامانهاي کمک شایانی بنماید.
تحلیل توزیع محلی چگالی الکترونی - و لاپلاسی آن براي سامانه پیشنهادي با استفاده از تابع موج الکترونی به دست آمده از ساختار مولکولی بهینه شده انجام شد. شکل2 تحلیل عددي این نتایج را نشان مید_د. تفاوت بارز مقدار عددي بار اتم پلاتین در این سامانهي مولکولی ناشی از چگونگی مشارکت الکترونهاي خارجی این فلز در مبادلات درون مولکولی بار/انرژي هر سامانه است. همچنین، مطالعات و بررسیهاي تکمیلی انجام شده نشان داد که اتمهایی مانند نیتروژن، اکسیژن نقش بسزایی در توزیع-بازیوزیع انرژیهاي محلی جنبشی در سامانههاي آلی-فلزي مولکولی دارند، ازاینرو، قرار گرفتن این شاخص در حوالی اتم پلاتین، ،شکل - - 1، میتواند پاسخدهی سامانه مولکولی به عوامل یا نیروهاي خارجی را افزایش دهد.
شکل:1 - الف - شکل ساختار سامانه مولکولی پیشنهادي، - ب - نمودار انرژي برخی از اربیتالهاي مرزي سامانه مولکولی پیشنهادي براي چندگانگی اسپین 1 - راست - و چندگانگی اسپین 3 - چپ - و - ج - شکل گسترش اوربیتالهاي مرزي LUMO - راست - وHOMO - چپ - سامانه مولکولی پیشنهادي.
شکل:2 توزیع محلی چگالی الکترونی - بالا - و لاپلاسی محلی چگالی الکترونی - پایین - براي سامانه مولکولی موردمطالعه در راستاي محور ..x
چیدمان شبیهسازي شده دیود نورافشان آلی پیشنهادي
پس از بررسی ویژگیهاي کوانتومی مادهی پیشنهادي، اقدام به طراحی چیدمان کلی ساختار OLEDتوسط شبیه ساز Silvaco شد مواد مناسب براي لایههاي دیگر با توجه به گاف انرژي لایه تابنده انتخاب شد و ساختار مناسب و بهینه با توجه به گاف انرژي هر یک از مواد به دست آمد - شکل. - 3 با حضور گروههاي کشنده الکترون و دهنده الکترون در کمپلکس انتخابی، این امکان وجود دارد که چگالی الکترونی هر بخش درون مولکولی در اثر اعمال نیروي خارجی، کاهش یا افزایش یابد و درنتیجه آن بخش همانند یک بخش دهنده الکترون و یاهمانند یک بخش گیرنده الکترون رفتار نماید. با توجه به این امر میتوان در طراحی سامانه OLED از لایههاي ETL و HTL صرف نظر کرد.
لذا براي امکان مقایسههاي لازم اقدام به شبیهسازی دو نمونه OLED گردید - شکل . - 3 پس از محاسبه و بهینهسازي ساختار توسط نرمافزار سیلوا و،. نتایج حاکی از آن است که نخست با توجه به این که نمودار شدت جریان- ولتاژ این ساختارها به صورت نمایی میباشد هیچ نشتی در هیچیک از ساختارها نیست - شکل. - 4 همچنین با عدم حضور ETL و HTL میزان بازترکیب حاملهاي بار افزایش مییابد. همانطورکه از شکل5 مشخص است، عدم حضور - Alq3 - ETL و - Npb - HTL موجب کاهش ولتاژ راه اندازي و افزایش لومینسانس میگردد.
