Разработка и исследование активных слоев на основе полимеров и полупроводниковых нанокристаллов для эффективных светодиодов

 

Информация по проекту ФЦП
"Разработка и исследование активных слоев на основе полимеров и полупроводниковых нанокристаллов для эффективных светодиодов"

 

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 17 июня 2014 г. № 14.575.21.0002 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 1 в период с 17.06.14 по 31.12.14 выполнялись следующие работы:

 

  • аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках проекта (т.е. теоретические и экспериментальные исследования о применении коллоидных квантовых точек в органических светодиодах (OLED- устройствах), электронно-оптические процессы в органических и гибридных материалах для устройств с применением квантовых точек).
  • патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
  • теоретические исследования оптических свойств тонких слоёв с квантовыми точками.
  • теоретические исследования подвижности и коэффициента диффузии носителей заряда в слоях с квантовыми точками.
  • разработка методики синтеза квантовых точек для активного (излучающего) слоя OLED-устройств.
  • изготовление экспериментальных образцов квантовых точек для активного слоя OLED-устройств.
  • проведение характеризации экспериментальных образцов квантовых точек.
  • технико-экономическая оценка перспектив рынка органических/неорганических светодиодов.
  • определение химического состава квантовых точек, в дополнение к характеризации

При этом были получены следующие результаты.

Анализ научной литературы позволил выявить перспективные направления по использованию метаматериалов на основе полимеров и/или коллоидных квантовых точек в органических светоизлучающих устройствах. Результаты патентных исследований и анализа научно-технической литературы подтвердили актуальность темы проекта.

 

В ходе теоретических исследований оптических свойств слоёв с квантовыми точками (КТ) получено обобщенное соотношение Клаузиуса-Моссотти для диэлектрической проницаемости в рамках теории локального поля из первых принципов. На основе полученных аналитических выражений для диэлектрической и магнитной проницаемостей проанализирована возможность построения метаматериалов на основе коллоидных квантовых точек.

 

В ходе теоретических исследований оптических свойств слоёв с квантовыми точками (КТ) получено обобщенное соотношение Клаузиуса-Моссотти для диэлектрической проницаемости в рамках теории локального поля из первых принципов. На основе полученных аналитических выражений для диэлектрической и магнитной проницаемостей проанализирована возможность построения метаматериалов на основе коллоидных квантовых точек.

В ходе теоретических исследований подвижности и коэффициента диффузии показано аналитически и монте-карловским моделированием, в качественном согласии с экспериментальными данными, что в тонких (в сравнении с характерным размером перколяционного кластера) полимерных слоях данные величины, измеряемые нестационарными методами, существенно отличаются от значений, характерных для толстых слоёв, вследствие эффекта конечной толщины, даже в случае квазиравновесной генерации. В частности, подвижность значительно убывает с возрастанием толщины слоя.

 

Были получены экспериментальные образцы квантовых точек 5 различных типов, отличающихся внешними оболочками органических лигандов, проведена их характеризация и определение химического состава. Результаты характеризации показали, что разброс КТ по размерам не превышает 10%, спектры излучений лежат в оптическом диапазоне длин волн от 450 до 700 нм.

 

Научная новизна: показано, что внутренняя эффективность люминесценции существенно зависит от типа органических лигандов, что даёт возможность оптимизации состава КТ. Дополнительные исследования химического состава КТ показали, что замена лигандов при переходе от одного типа КТ к другому происходит полностью, а наличие чередующихся слоев оболочки из более широкозонных материалов (CdS, ZnS) обеспечивает эффективную локализацию носителей зарядов (электронов и дырок) внутри ядра и даёт возможность обеспечить высокое значение квантового выхода электролюминесценции.

Полученные на этапе № 1 результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и дают основание для дальнейшей разработки новых светодиодных материалов и высокоэффективных OLED-устройств на их основе, что является целью проекта в целом.

На этапе № 2 в период с 01.01.15 по 30.06.15 выполнялись следующие работы:

  • Определение оптимальных условий конструкций и оптимальных материалов, определение оптимальных условий процессов, с точки зрения эффективности переноса энергии и заряда в OLED-устройствах.
  • Разработка физико-химических методов формирования полимерных слоёв с квантовыми точками, и нанослоев квантовых точек, как основы светодиодных материалов.
  • Проведение теоретических исследований диэлектрических свойств тонких слоёв квантовых точек с целью определения оптимальных условий конструкций OLED-устройств.
  • Разработка эскизной конструкторской документации светодиодных материалов на основе полимеров и квантовых точек
  • Изготовление экспериментальных образцов светодиодных материалов на основе полимеров и квантовых точек
  • Дополнительные исследования химического состава квантовых точек, содержащих различные поверхностно активные вещества.

Получены следующие основные результаты:

Оптимальная конструкция OLED-устройства с излучающим слоем на основе квантовых точек (КТ): слой ITO, PEDOT:PSS, поливинилкарбазол (ПВК), КТ типа ядро CdSe\оболочка с чередующимися слоями ZnS и CdS, слой наночастиц ZnO и слой LiF/Al.

Условия, при которых тонкие слои материалов на основе коллоидных КТ проявляют свойства метаматериалов, и соотношения для исследования их диэлектрической и магнитной проницаемости.

Экспериментальные образцы четырёх типов новых светодиодных наноматериалов на основе КТ и полимеров с оптической прозрачностью OD<0.1 в диапазоне от 450 до 750 нм при толщине слоя 50 нм, полученные разработанным методом.

Образцы излучают в видимом спектральном диапазоне Первый, второй и третий типы образованы конденсатом квантовых точек на основе селенида кадмия, покрытых поверхностно-активным веществом (лигандом): триоктилфосфиноксидом (первый тип), пиридином (второй тип), ароматическим углеводородом тиофенол (третий тип). Четвёртый тип OLED-устройства содержит квантовые точки на основе селенида кадмия, покрытые лигандом олеиламином, который позволяет создать наилучшую наногибридную структуру с электролюминесцентным полимером голубого свечения полифлуореном. В итоге получен светодиодный материал с белым спектром излучения.

Методом газовой хромато-масс-спектрометрии для всех исследованных образцов подтверждена успешная модификация поверхности квантовых точек новыми типами лигандов

Научная новизна:

Разработаны физико-химические методы формирования нанослоёв четырёх типов новых светодиодных материалов, содержащих квантовые точки нового типа на основе селенида кадмия, синтезированные на прошлом этапе.

Полученные на этапе № 2 результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту и позволяют разрабатывать высокоэффективные OLED-устройства с активными слоями на основе новых светодиодных материалов, что и является целью проекта.

 

 

На этапе № 3 в период с 01.07.15 по 31.12.15 выполнялись следующие работы:

 

  • Разработка эскизной конструкторской документации на OLED-устройства на основе разработанных светодиодных материалов
  • Изготовление экспериментальных образцов ОLED-устройств на основе разработанных светодиодных материалов.
  • Разработка программ и методик исследовательских испытаний экспериментальных образцов светодиодных материалов на основе полимеров и квантовых точек для активных (излучающих) слоев OLED-устройств и экспериментальных образцов ОLED-устройств на основе разработанных светодиодных материалов.
  • Исследовательские испытания по программам и методикам.
  • Изучение функциональных возможностей «белых» органических ОLED-устройств с использованием квантовых точек.
  • Разработка технико-экономической оценки результатов ПНИ.
  • Разработка рекомендаций и предложений по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
  • Разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка перспективных многослойных OLED-устройств как источников света на основе новых материалов с квантовыми точками.
  • Контроль химического состава органических полупроводников, используемых для изготовления контактов OLED- устройств.
  • Дополнительные исследования по измерению спектров электролюминесценции экспериментальных образцов светодиодных материалов для активных (излучающих) слоев OLED-устройств.

 

Получены следующие основные результаты:

 

Эскизная конструкторская документация на OLED-устройства на основе разработанных светодиодных материалов

Экспериментальные образцы OLED-устройств на основе разработанных светодиодных материалов, зеленого, желтого, красного и белого свечения.

Спектры излучения светодиодных материалов лежат в оптическом диапазоне, длина волны от 450 до 700 нм. Оптимальная концентрация КТ в полимерном слое составляет 30-40% по массе. Яркость- более 1000 кд/м2 при рабочих напряжениях менее 10 В.

 

Научная новизна:

 

Показано, что "белые" OLED-устройств на основе светоизлучающих органических композитных наноматериалов и квантовых точек могут применяться для создания дисплеев и осветительной техники с различными оттенками белого света.

 

Полученные в ходе выполнения этапа № 3 и проекта в целом результаты соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.

 

 

 

 

27