ساخت دیود نانوساختاری آلی با قابلیت تولید نور تک فام و بررسی نقش پارامترهای موثر بر کارایی آن

فن آوری ساخت دیودهای نور گسیل آلی (oled)، روند رو به رشدی در صنایع نوری و الکترونیکی جهان دنبال می کند. طرح ها و نقشه های راه مربوط به تحقیق و گسترش این فن آوری که توسط شرکت های بزرگ جهان نظیر فیلیپس دنبال می شود، مبین آن است که به زودی این دیودها جایگزین چشمه های نوری فعلی در صنعت روشنایی منازل، مراکز تجاری و اداری و کارخانه های صنعتی خواهد شد [1]. ساختار یک oled متشکل از دو الکترود آند و کاتد است که حداقل یکی از آن ها شفاف است. بین این دو الکترود، مجموعه ای از لایه های نازک آلی که به عنوان ناحیه ی فعال دیود شناخته می شوند، انباشت می گردد. اساس کار آن شبیه به یک دیود معمولی است که با اعمال ولتاژ دو سر الکترودها، فرآیند تابش نور از دیود فراهم می شود [2]. مکانیزم نوردهی در این ساختارها اساسا بر پایه ی مکانیک کوانتومی بیان می شود. نظریه مکانیک کوانتومی به همراه نظریه ترکیب خطی اوربیتال های اتمی (lcao)، مشابه با ترازهای هدایت و ظرفیت در نیم رساناهای غیر آلی، بالاترین تراز اشغال شده مولکولی (homo) و پایین ترین تراز اشغال نشده مولکولی (lomo) را برای نیم رساناهای آلی درنظر می گیرند. پس از فرآیند تزریق و انتقال حامل ها از الکترودها به سمت این ترازها، در ناحیه ی فعال نوری، اکسایتون ها تشکیل می شوند. بر اساس مکانیک کوانتومی، اکسایتون ها با حالت های اسپینی یگانه و سه گانه تشکیل می شوند و اساس نوردهی oled ها نیز برپایه ی فرو افت الکترون ها از حالت های برانگیخته ی اکسایتونی به حالت زمینه ی s=0 رخ می دهد. نور فلورسانسی از فروافت الکترون از حالت برانگیخته s=1 به حالت زمینه تولید شده و نور فسفرسانسی از فروافت الکترون از حالت برانگیخته t=1 به حالت زمینه تولید می شود. بر اساس آمار اسپینی بازده تولید نور فسفرسانسی چهار برابر بازده تولید نور فلورسانسی است. این ایجاب می کند که در ساخت یک oled از مواد آلی با قابلیت تولید نور فسفرسانسی استفاده شود. از نظر مواد آلی به کار رفته در ساخت یک oled دو نوع دیود را دسته بندی می کنند. دیودهای آلی که بر پایه مواد آلی با مولکول های کوچک (smoled) هستند و دیگری دیودهای آلی پلیمری (pled) است [3]. روش های ساخت smoled ها تماما به کمک روش های انباشت فیزیکی لایه ها نظیر تبخیر حرارتی است و برای انباشت pled ها نیاز به روش های شیمیایی نظیر لایه نشانی چرخشی ، است. در ساخت یک oled پربازده همواره از شرایط انباشت بهینه استفاده می شود، لذا مواردی نظیر آهنگ انباشت در فرآیند تبخیر حرارتی و میزان دور و سرعت در لایه نشانی چرخشی مورد توجه بوده است. الکترودهای به کار رفته در ساخت oled ها دارای این ویژگی هستند که لایه آند دارای تابع کار بالا و لایه کاتد دارای تابع کار پایین هستند. یکی از مواردی که می تواند کارایی آند و کاتد را بالا ببرد، انجام عملیات مختلف بر روی این نانو پوشش ها در محیط های مختلف با گازهای متفاوت و شرایط خاص است که می تواند مورد بررسی قرار گیرد. مواد آلی که به صورت پوشش های نانوساختاری در ساخت یک oled به کار برده می شوند، کاربردهای متفاوتی دارند. برخی از این نانو پوشش های آلی، نقش لایه ی تزریق کننده، انتقال دهنده و سد کننده الکترون و حفره را ایفا می کنند و در برخی دیگر مکانیزم تجمع اکسایتون ها، فرآیند بازترکیب الکترون-حفره و نهایتا عمل تابش نور رخ می دهد [4]. همواره این مسأله مطرح بوده است که ریخت شناسی سطح این لایه ها تأثیر مستقیم در بازده oled دارد. بررسی این عامل توسط دستگاه های آنالیز سطح می تواند ما را در یافتن ساختاری مناسب یاری کند. در بعضی از ساختارها ملاحظه شده است که عمل بازپخت لایه های تزریق و انتقال دهنده حامل ها، میزان بازده را افزایش می دهد و نیز میزان ضخامت این لایه ها رابطه ی مستقیم بر کارایی ساختار دارد. تحقیق در مورد دو پارامتر بازپخت و ضخامت لایه های انباشتی از موارد کلیدی در دست یابی به یک ساختار مناسب است. برای oled ها همانند دیودهای نور گسیل (led) ها دو بازده تعریف می شود: 1- بازده کوانتومی و 2- بازده توان . بازده کوانتومی خود به دو بازده کوانتومی خارجی و داخلی تقسیم می شود. بازده کوانتومی داخلی عبارت است از نسبت تعداد فوتون های تولیدی در داخل وسیله به تعداد زوج الکترون-حفره تولیدی. بازده کوانتومی خارجی نیز به صورت نسبت تعداد فوتون های خروجی از وسیله به تعداد زوج الکترون-حفره تولیدی تعریف می شود. نسبت این دو بازده به یکدیگر همواره برابر با یک نیست و به علت های مختلف همواره بازده خارجی از بازده داخلی کمتر است [5]. بازده توان نیز به صورت نسبت لومین خروجی از وسیله به توان ورودی تعریف می شود که به ممکن است به علت بالا بودن ولتاژ راه اندازی دستگاه، توان مصرفی زیاد و درنتیجه بازده توان پایین باشد [6]. مهمترین تفاوتی که میان oled ها با دیودهای معمولی وجود دارد این است که اساسا، تحرک پذیری در لایه های انباشتی از مواد آلی بسیار پایین است و بنابراین انتظار داریم که در این دیودها، حامل های آزاد وجود نداشته باشند. لذا برای تولید الکترون و حفره در این مواد نیاز به تزریق حامل ها به درون دیود داریم [7]. در بیشتر موارد برای آسان سازی فرآیند تزریق حامل ها به ناحیه ی فعال نوری در دیود آلی و همچنین برای از بین بردن فعل و انفعالات شیمیایی موجود میان الکترودهای آند و کاتد با لایه های فعال آلی و درنتیجه بهینه سازی کارایی لایه ها که منجر به افزایش بازده کوانتومی خارجی دیود آلی می شود، از یک سری لایه های میانگیر استفاده می شود [8]. برای مثال لایه های میانگیر که بر روی آند انباشت می شوند، با تصحیح ضریب شکست لایه ها، موجب کاهش بازتابش داخلی ایجاد شده در فصل مشترک لایه های آلی و آند، می شوند و بدین ترتیب می توانند میزان بازده کوانتومی خارجی را افزایش دهند [9]. بر اساس مطالب یاد شده، برای طراحی و ساخت یک دیود نورگسیل آلی: در مرحله ی اول این پژوهش، هدف ما یافتن شرایط مناسب انباشت برای مثال آهنگ انباشت در روش تبخیر حرارتی و میزان دور و زمان در روش لایه نشانی چرخشی است. در این بین ماده ی alq3 را به عنوان ماده ی انتقال دهنده خوب الکترون و همچنین گسیلنده ی نور سبز در نظر می گیریم و این ماده را با انتخاب شرایط مناسب لایه نشانی حرارتی، انباشت می کنیم. برای ماده ی انتقال دهنده خوب حفره دو نوع ماده را در نظر می گیریم، pvk را به عنوان ماده پلیمری و tpd را به عنوان ماده آلی مولکول کوچک انتخاب کرده ایم که شرایط مناسب لایه نشانی را برای آن ها نیز بررسی می کنیم. در مرحله ی دوم به بررسی رفتار لایه های آند و کاتد از مواد متفاوت و در محیط های مختلفی نظیر هوا، h2 و n2 می پردازیم تا بدین صورت بتوانیم الکترودهایی با ویژگی های مناسب بدست آوریم. در مرحله سوم، با ساخت جداگانه ی لایه های تزریق کننده و انتقال دهنده و نیز ساخت چندلایه ای از این نانو پوشش ها، ریخت شناسی سطوح آن ها را بررسی می کنیم. در مرحله ی چهارم، ساخت یک دیود نانوساختاری آلی با قابلیت تولید نور تک فام را در برنامه خود قرار داده و در این بین به بررسی پارامترهای موثر در فرآیند نورگسیل دیود آلی نظیر شرایط بازپخت لایه ها، اثر ضخامت لایه های آلی و غیره خواهیم پرداخت. در مرحله ی پنجم که مرحله نهایی این تحقیق است، به بررسی نقش لایه های میانگیر در بهبود بازده oled های ساخته شده خواهیم پرداخت. این لایه های میانگیر هم می توانند مواد معدنی نظیر tio2 و sio2 باشند و هم می توانند مواد آلی نظیر c60 باشند. نهایتا با لایه نشانی لایه های میانگیر به کمک دستگاه های لایه نشانی حرارتی و چرخشی موجود در آزمایشگاه لایه های نازک گروه فیزیک دانشگاه اصفهان، یک oled با پیکربندی مناسب از نانو پوشش های چندگانه ارائه خواهیم داد.