Electrozi metalici transparenti si conductori pentru Diode Organice Electroluminescente
Project Director: Dr. Silviu POLOSAN
Rezumatul proiectului:
Proiectul descrie fabricarea de electrozi metalici transparenti pentru diode electroluminescente, care permit imbunatatirea transportului de sarcina prin structurile OLED de tip multistrat si cresterea emisiei de lumina datorata electroluminescentei obtinute pe ambele fete. Ca noutate, aplicarea unui patent avand la baza iradiere cu electroni de joasa energie a suprafetelor metalice, faciliteaza obtinerea de anozi transparenti cu conductivitate electrica imbunatatita prin scaderea rugozitatii, folosind topirea nanozonala a filmelor metalice sub actiunea unui fascicul de electroni. In ceea ce priveste catozii transparenti, proiectul propune o strategie noua de electrozi cu lucrul mecanic de extractie scazut, utilizand aliaje intre metale alcalino-pamantoase si argint metalic. Optimizarea compozitionala Ag-Mg pentru catozi cu distributie uniforma si raport optim Ag/Mg reprezinta a doua noutate a acestui proiect. Acest fapt implica obtinerea de filme subtiri ca aliaje de buna calitate folosing co-evaporarea termica si compararea lor cu cele obtinute prin depunerea prin arc termionic in vid.
Obiective:
1. Depunerea de filme subtiri de argint prin metoda arcului termoionic si evaporare termica in vid.
2. Iradierea cu electroni de joasa energie a filmelor subtiri argint, modificarea parametrilor de iradiere in acord cu obiectivele proiectului (cresterea conductivitatii electrice a filmelor subtiri).
3. Compararea conductivitatii electrice a acestor filme inainte si dupa iradierea cu electroni de joasa energie.
4. Imbunatatirea catozilor prin folosirea aliajelor Mg-Ag pentru o injectie optima de sarcina in structurile OLED.
5. Constructia de structuri OLED cu electrozii metalici optimizati si determinarea parametrilor lor de functionare, ca demonstrator functional OLED.
Prezentare succintă a rezultatelor obținute în cadrul proiectului
- Obținerea de catozi transparenți de argint grosimi 22-35 nm care conduc la o creștere a eficacității emisiei cu 35-40%. Această transparență permite obținerea emisiei de lumină și prin catozi nu numai prin anozi cum se întâmplă în dispozitivele clasice actuale.
Figura 1. Transparența diodelor electroluminescente prin cei doi electrozi.
2. Iradierea cu electroni-cristalizarea filmului induce o conductivitate electrică mai bună și o uniformitate care asigură o injecție de sarcină mai bună in diode. Se asigură astfel o creștere a conductivității electrice cu până la 65% concomitent cu o scădere de aproximativ 3 ori a rugozității filmelor de la 45-50 nm pana la 16 nm.
Figura 2. Iradierea cu electroni de joasă energie si proprietatile filmelor iradiate.
3. Obținerea de aliaje cu lucru mecanic de extracție variabil, în funcție de compoziția aliajului, prin metoda arcului termionic în vid asistată laser care, în cazul aliajelor MgAg, induc un lucru mecanic de extracție al electronilor de 4.23 eV, puțin mai mare decât al filmelor de magneziu de 3.68 eV, dar cu o stabilitate chimică mult mai bună și o conductivitate electrică superioară.
Figure 3. Film metalic de MgAg si lucrul de extractie la MgAg si Mg.
- Creșterea lucrului de extracție prin iradierea cu electroni de joasă energie în vederea utilizării metalelor ca și anozi. Aplicarea tehnologiei de iradiere cu electroni conduce la scăderea lucrului de extracție al electronilor din filmele de argint evaporate termic până la o valoare de 4.67 eV, ceea ce permite utilizarea acestora ca și anozi în dispozitive electroluminescente.
- Obținerea de catozi transparenți de tip fibră metalizată cu transparențe de până la 90% și conductivități electrice mari. Transparența mare a fibrelor metalizate induce o injecție neuniformă de sarcină în dispozitivele electroluminescente, fapt ce reduce considerabil eficacitatea cuantică de emisie a acestor dispozitive. Performanțele filmelor metalice transparente sunt prezentate mai jos.
Figura 4. Parametrii de functionare al dipozitivelor OLED cu catozi metalici subtiri.
Coordonator-INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR BUCURESTI RA
Dr. Silviu Polosan- director de proiect silv@infim.ro
Dr. Iulia Corina Ciobotaru - cercetator corina.ciobotaru@infim.ro
Dr. Constantin Claudiu Ciobotaru - cercetator claudiu.ciobotaru@infim.ro
Dr. Ionut Enculescu -cercetator encu@infim.ro
Dr. Andrei Nitescu-doctorand andrei.nitescu@infim.ro
Metoda de iradiere cu electroni de energie joasa.
Electroluminescenta dispozitivelor OLED cu electrozi transparenti.
Rezumatul etapei 1.
a) Instalația de evaporare termică și depunere prin arc termoionic a fost re-proiectata astfel încât grosimea filmelor metalice depuse sa fie monitorizate cu ajutorul unei balanțe de cuarț. De asemeni, evaporatoarele au fost apropiate cu ajutorul unor distantoare astfel încât unghiul de depunere sa fie cat mai mic, la fel ca si distanta nacela-substrat, asigurând-se astfel o depunere eficientă a filmelor metalice.
b) Procesul de emisie termoionica a fost ajustat prin utilizarea a doua surse de curent continuu necesare pentru accelerarea termoelectronilor emiși la:
- Tensiuni joase (0-400 V) și curenți de ordinul sutelor de microamperi pentru iradiere cu electroni de joasa energie a suprafețelor metalice. Metoda a fost testata pe o plăcută metalică de tantal, stabilindu-se principalii parametrii de iradiere cu electroni.
- Tensiuni înalte (0-2 kV, 0-2 A) pentru realizarea arcului termoionic (TVA), adică depunerea filmelor in plasma proprie. S-au stabilit principalii parametrii de depunere (curent de filament, tensiune si curent anodic, tensiune de breakdown și timp de depunere) pentru filme de argint depuse pe substrat de sticlă.
c) S-au stabilit parametrii de evaporare termică in vid pentru filmele de argint si magneziu, prin depunerea a trei probe de argint de grosimi diferite și a unei probe de magneziu foarte subțiri.
d) S-a realizat o co-evaporare de magneziu-argint in raport 1:10 la rate diferite de evaporare dar rezultatele preliminare necesită rafinarea metodei pentru a obține un raport de 10:1 argint-magneziu.
e) S-a realizat o co-evaporare argint-magneziu prin metoda arcului termoionic modificat cu aplicarea unui fascicul laser de 532 nm pentru omogenizarea aliajului pe substratul de sticla dar raportul a fost de 1:4, fapt ce necesită investigații suplimentare privind amestecului preliminar de argint si magneziu cat si ajustarea puterii laserului pentru obținerea raportului dorit.
Rezumatul etapei 2.
a) Filmele de argint depuse pe sticlă și Si/SiO2 în etapa anterioară au fost supuse iradierii cu electroni de joasă energie (640 eV) în vederea îmbunătățirii conductivității electrice ale acestora, la diverse fluențe de electroni. Astfel s-a demonstrat că iradierea cu o doză sub 100 C/m2 păstrează caracterul conductor evitând formarea de oxizi pe suprafața metalului.
b) Analiza morfologică și structurală a filmelor de argint obținute în faza anterioară realizată prin prin măsurători de difracție de raze X, microscopie electronică de baleaj și de forță atomică. Rezultatele au demonstrat depunerea unor filme de grosimi mici intre 22 nm si 53 nm care păstrează transparența acestor electrozi. În principal se obțin filme amorfe dar la grosimi foarte mici se observă o ușoară cristalizare (sub 3%) a argintului. Măsurarea grosimii filmelor s-a realizat prin trei tehnici: reflectanța optică difuză, împrăștiere de raze X la unghiuri mici (Xrr) și microscopie de forță atomică (AFM). Rezultatele au fost corelate iar studiile de Xrr și AFM au evidențiat o rugozitate medie.
c) Măsurătorile de conductivitate electrică au arătat o creștere a rezistivității cu scăderea grosimii filmelor, astfel încât grosimea acestora să prezinte un optim între transparență și conductivitate electrică. Transparența optică a filmelor de argint este de 50-60% pe domeniul vizibil la grosimi de 22 nm si 31 nm, iar măsurătorile de umectabilitate au arătat un caracter hidrofil al acestor filme și deci o rugozitate bună, utilă în procesele de injecție de sarcină.
d) Electrozii de argint depuși pe sticlă de 31 nm au fost acoperiți cu polimeri conductori de tip p precum PEDOT:PSS și NPB cu grosimi de aprox. 45 nm și apoi s-a depus un strat electroluminescent de AlQ3 de 80 nm. Transparența acestor structuri sandwich se păstrează la 50-60%, iar absorbția optică indică benzile de absorbție ale filmului de AlQ3 din ultraviolet, celelalte filme fiind neabsorbante în domeniul vizibil. Eficacitatea cuantică de emisie a filmului electroluminescent a fost calculată la valoarea de 39-40% cu o luminanță de 147 cd/m2.
e) Pentru obținerea electrozilor de tip catod s-a încercat obținerea de aliaje Mg-Ag prin tehnica co-evaporarii dar caracterizarea ulterioară a acestor filme a demonstrat obținerea unor structuri neuniforme și implicit neconductoare electric datorită prezenței magneziului depus lamelar.
f) Rezultate semnificativ îmbunătățite pentru aliajele Mg-Ag au fost obținute prin depunerea în arc termionic asistat laser. Filmele obținute au arătat un aliaj de tip Mg3Ag iar măsurătorile de umectabilitate au arătat un caracter ușor hidrofob dar cu o rugozitate mult îmbunătățită față de filmele obținute prin co-evaporare.
g) Măsurătorile de rezistivitate electrică au demonstrat o conductivitate mult mai bună decât în cazul filmelor obținute prin co-evaporare care îmbunătățește injecția de sarcină în diodele electroluminescente și care conduce la o creștere a luminanței acestor diode (eficacității cuantice externe).
h) Măsurătorile de capacitate-tensiune au indicat un lucru mecanic de extracție mai scăzut decât în cazul filmelor de magneziu dar mult mai bun decât în cazul filmelor de argint, favorizând astfel injecția de sarcină în diode. Modelul teoretic de calcul al lucrului mecanic de extracție în aliajul de Mg-Ag a indicat o valoare de 4.21 eV foarte aproape de valoarea obținută prin metoda grafică din măsurătorile de capacitate-tensiune de 4.25 eV.
Rezumatul etapei 3.
a) Au fost măsurate transparenta filmelor metalici si conductivitatea electrica. Transparenta a fost de 20-35% in domeniu vizibil, iar rezistivitatea de 4.58 Ω/sq.
b) Filmele de argint au fost supuse iradierii cu electroni de joasa energie, care au arătat o creștere a conductivității electrice cu 65% si o scădere a lucrului mecanic de extracție de la 4.3 eV la aprox. 4.67 eV comparabile cu ITO, ceea ce ar conduce la folosirea acestor filme iradiate ca si anozi in structuri OLED. Explicația este legata de cristalizarea argintului in urma iradierii.
c) Filmele de argint depuse pe sticlă au completate cu celelalte filme in structura sandwich sticla/Ag/PEDOT:PSS/NPB/AlQ3/Ag sau sticla/ITO/PEDOT:PSS/NPB/AlQ3/Al. Pentru aceste filme s-a măsurat transmisia prin întreaga structura (prin electrozi) si s-a observat o creștere cu 30% comparativ cu catozii de 100 nm utilizați pana in prezent.
d) S-au realizat dispozitive electroluminiscente in număr de 15 in trei configurații:
- sticla/Ag/PEDOT:PSS/AlQ3/Ag
- sticla/ITO/PEDOT:PSS/AlQ3/Al (150 nm)
- sticla/ITO/PEDOT:PSS/AlQ3/Al (400 nm)
e) Pentru aceste structuri s-au realizat măsurători curent-tensiune pentru evidențierea caracterului de dioda a acestor dispozitive. S-a constatat ca o scădere a grosimii electrozilor creste transparenta catozilor concomitent cu creșterea injecției de sarcina.
f) Măsurătorile de luminanță combinate cu măsurătorile curent-tensiune au permis determinarea parametrilor dispozitivelor OLED.
g) Au fost comparate cu dispozitive OLED cu catozi electrofilati de PMMA acoperiți cu argint.
Lucrare de licenta "STUDIUL FILMELOR SUBȚIRI PE BAZĂ DE MAGNEZIU/ZIRCONIU PRODUSE PRIN METODELE ARCULUI TERMIONIC IN VID (TVA) ȘI A ARCULUI TERMIONIC IN VID INDUS de LASER (LTVA)", 2023, specializarea Fizica Tehnologica, Facultatea de Stiinte Aplicate si Inginerie, Universitatea Ovidius din Constanta, elaborata in colaborare cu INCDFM.
Lucrari stiintifice:
1. S. Polosan , C. C. Ciobotaru , I.C. Ciobotaru , M. Enculescu , D. Iosub, A. Mandes , R. Vladoiu, „Electron Irradiation of Titanium-Doped Chromium Nanostructured Thin Films for Higher Conductive Electrodes”, IEEE TRANSACTIONS ON NANOTECHNOLOGY, Vol.21, p. 823-829 (2022). https://doi.org/10.1109/TNANO.2022.3227366.
2. Vladoiu, R.; Mandes, A.; Dinca, V.; Matei, E.; Polosan, S.
"Synthesis of Cobalt–Nickel Aluminate Spinels Using the Laser-Induced Thermionic Vacuum Arc Method and Thermal Annealing Processes"
Nanomaterials 2022, 12, 3895. https://doi.org/10.3390/nano12213895.
3.I. C. Ciobotaru , M. Enculescu , S. Polosan, I. Enculescu, C. C. Ciobotaru, „Organic Light-Emitting Diodes with Electrospun Electrodes for Double-Side Emissions”, Micromachines, 14(3), 543 (2023). https://doi.org/10.3390/mi14030543.
4. R.Vladoiu, A. Mandes, V. Dinca, M. Tichy, P. Kudrna, C.C. Ciobotaru, S. Polosan, „Versatile techniques based on the Thermionic Vacuum Arc (TVA) and laser-induced TVA methods for Mg/Mg:X thin films deposition-A review” Journal of Magnesium and Alloys, 12, 3115-3134 (2024) (IF=17.2), (https://doi.org/10.1016/j.jma.2024.08.012)
Diseminari conferinte nationale:
1) ELECTROZI METALICI EFICIENȚI PENTRU DIODE ELECTROLUMINESCENTE ORGANICE- lucrare invitata
S. Polosan, R. Vladoiu,A. Nitescu, C.C. Ciobotaru, C.I. Ciobotaru, E. Matei, V. Ciupina,
Conferința Științifică Națională de Toamnă a Academiei Oamenilor de Știință din România, ediția a 34-a „Știință pentru o societate sănătoasă”, 21-23.09.2023.
2) MATERIALE AVANSATE PE BAZA DE MAGNEZIU DE TIP MgX-X=Ti,Ag,Zn, OBTINUTE PRIN METODA LTVA- lucrare invitata
R. Vladoiu, V. Ciupina, V. Dinca-Balan, A. Mandes-Vaduva, S. Polosan
Conferința Științifică Națională de Toamnă a Academiei Oamenilor de Știință din România, ediția a 34-a „Știință pentru o societate sănătoasă”, 21-23.09.2023.
3) DIODELE ELECTROLUMINESCENTE ORGANICE: PREZENT ȘI VIITOR- lucrare invitata
S. Polosan,
Conferința Științifică Națională de Primăvară a Academiei Oamenilor de Știință din România, 24-25.05.2024.
4) NANOSTRUCTURILE COMPLEXE PE BAZĂ DE MAGNEZIU DEPOZITE PRIN ARC TERMOIONIC DE VID INDUS LASER (LTVA) PENTRU ELECTROZI DE ÎNALTĂ EFICIENȚĂ-lucrare invitata
R. Vladoiu, A. Mandes, V. Dinca, S. Polosan, M. . Tichy, P. Kudrna, 2023, 21st IBWAP, Constanta, Romania.
5) "PROPRIETĂȚI ALE FILMELOR SUBȚIRI DE MAGNEZIU ZIRCONIU REALIZATE PRIN TEHNICILE TVA ȘI LTVA"-lucrare poster
R.Vladoiu,V.Dinca, A. Mandes, S. Polosan, E. Matei, B. Mardare, IBWAP 2023, Constanta, Romania.
Cereri de brevete nationale
1. S. Polosan, A. Nițescu, A. Mandeș, V. Dincă, R. Vladoiu „Aliaje magneziu-argint pentru catozi utilizați in tehnologiile diodelor electroluminescente”, Nr. cerere OSIM A/00752 din 28 Noiembrie 2023
2. S. Polosan, I.C. Ciobotaru, C.C. Ciobotaru, E. Matei „Electrozi metalici de argint iradiați cu fascicule de electroni de energie joasa si procedeu de obținere”, Nr. cerere OSIM A100754 din 28 Noiembrie 2023
Proiect PED726/2021 evaluat cu calificativul:
EXCELENT
Dr. Silviu Polosan, Doctor in Fizica
Cercetator Stiintific I
Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Materialelor
Laboratorul de Materiale si Structuri Multifunctionale
Telefon: +40-(0)21-2418 268
email: silv@infim.ro
PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE
Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved