Quang học ứng dụng - Phương pháp thực nghiệm quang học

Bài 1: oled Câu 1: Polime dẫn điện có tính chất g ì khác kim loại hay oxit dẫn điện, phải nghiên cứu Các tính chất bật polymer dẫn điện - Có tính chất điện, quang … tương đồng với vật liệu bán dẫn vô c - Dễ chế tạo giá thành sản xuất thấp - Chế tạo linh kiện hay thiết bị có diện tích lớn - Có tính chất quang, điện đặc biệt - Một số tính chất ưu việt khác mà vật liệu khác khơng có nh uốn dẻo, đàn hồi tốt, khả tạo nhiều m àu sắc cao trung thực, dễ dàng kết hợp với chất hóa học khác để tạo thành hợp chất [2] Các nhược điểm cần khắc phục - Dễ bị oxy hóa ảnh hưởng mơi trường làm thay đổi tích chất vật liệu - Khó kiểm sốt độ dày q trình chế tạo - Độ dẫn điện thấp ứng dụng ứng dụng chia làm hai nhóm sau Nhóm thứ dựa độ dẫn đặc tính vật liệu Nhóm thứ hai dựa vào tính chất điện vật liệu Nhóm Nhóm Vật liệu tĩnh điện Điện tử phân tử Keo dẫn điện Hiển thị điện tử Tấm che chắn điện từ trường Cảm biến nhiệt, hóa, sinh hóa Bảng mạch in Pin sạc hay chất điện phân rắn Dây thần kinh nhân tạo Các vật liệu khử độc Vải chống tĩnh điện Máy tính quang Gốm áp điện Màng trao đổi ion Linh kiện điện tử (diod, transistor) Cấu trúc thông minh Một vài cấu trúc phi thuyền Công tắc Câu 2: nêu Cấu trúc đơn lớp OLED, ko dùng đơn lớp mà phải dùng đa lớp OLED cấu trúc đơn lớp có cấu tạo gồm Lớp phát quang vật liệu hữu c đặt điện cực Điện cực Anốt thường màng Oxít dẫn điện suốt (TCO – Transparent Conducting Oxide) ITO, AZO, GZO …, có tác d ụng cung cấp hạt tải lỗ trống Điện cực cathode, thường kim loại có cơng cao đóng vai tr ị nguồn cung cấp điện tử Các hạt tải từ điện cực đ ược phun vào lớp hữu cơ, hình thành cặp điện tử - lỗ trống kết cặp tái hợp phát quang _ + Cathode EML Anốt Cathode Đế thủy tinh Anốt Hình A II Cấu hình OLED đơn lớp, gồm lớp hữu c phát quang (EML) kẹp anốt suốt catốt kim loại Nhược điểm đơn lớp ( hay phải tạo đa lớp) ( thầy có hỏi khánh câu này) việc tìm loại vật liệu đảm bảo đồng thời y cầu khả phát quang, truyền hạt tải, phù hợp mặt lượng với điện cực, độ bám dính tốt v ổn định khó khăn Hầu hết vật liệu polymer v phân tử nhỏ có độ linh động hạt tải lỗ trống cao h ơn electron, lỗ trống truyền qua hết chiều d ài lớp phát quang mà khơng tái hợp với điện tử nào, tái hợp phát quang bị dập tắt vị trí gần điện cực Bên cạnh đó, khơng cân hạt tải c ịn dẫn đến tình trạng hạt tải tích tụ gần điện cực, tạo vùng điện tích khơng gian, làm cản trở q trình phun điện tích vào lớp vật liệu hữu Để khắc phục nhược điểm đó, OLED đ ược chế tạo theo cấu trúc đa lớp, lớp đóng vai tr ị xác định, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động linh kiện Câu 3: Cấu trúc đa lớp gồm gì, vai trò? Gồm lớp vật liệu cấu trúc đơn lớp có thêm: Anốt HIL-HTL EML (lớp phát quang) ETL- EIL Catốt HIL (Hole Injection Layer) EIL (Electron Injection Layer) l ớp hữu có tác dụng tăng cường q trình phun hạt tải từ điện cực, HTL (Hole Transort Layer) ETL (Electron Transport Layer) l ớp vật liệu có chức tăng cường truyền điện tử lỗ trống Các hạt tải di chuyển qua lớp n ày, hình thành exciton k ết cặp tái hợp với phát photon lớp phát quang EML (Electroluminescence Layer), có chức tăng c ường phát quang, định màu sắc ánh sáng phát OLED Trong cấu trúc nay, người ta sử dụng thêm lớp khóa electron lỗ trống, đặt lớp EL/HTL EL/ETL , theo thứ tự, nhằm giảm thiểu lượng hạt tải dư khơng phát quang, góp ph ần làm tăng hiệu suất độ ổn định linh kiện Việc lựa chọn vật liệu cho lớp đ ơn phụ thuộc vào phù hợp mặt lượng, khả truyền dẫn hạt tải tính chất phát quang độ bền (hóa, nhiệt, …) OLED _ Chân không EA Cathode WF(anốt) ETL/EIL + IP WF(ca) EML LUMO HIL/HTL cathode Anốt Đế thủy tinh HOMO Anốt HIL/HTL EML ETL/EIL Hình A II Cấu trúc vùng lượng OLED đa lớp Câu 4: Lựa chon điện cực Anốt thề tốt ( câu thầy có hỏi khánh (oled) lẫn tú (ITO) anốt đóng vai trị cung cấp hạt tải lỗ trống cho OLED, đồng thời l “cửa ngõ” cho ánh sáng phát ra, địi hỏi vật liệu thỏa yêu cầu sau: có khả dẫn điện tốt độ suốt cao => điện cực dẫn điện trogn suốt (TCO) nh ITO, AZO, GZO phù hợp cho việc sử dụng việc chế tạo OLED nh linh kiện quang - điện tử khác (Solar cell, Detector …) cơng cao (cỡ 5eV) nhằm đảm bảo phun lỗ trống v lớp vật liệu hữu Giải thích: Đối với chất bán dẫn hữu c ơ, độ linh động lỗ trống th ường cao độ linh động điện tử Do đó, việc đảm bảo l ượng lỗ trống phun vào có tác dụng làm cân hạt tải tăng hiệu suất tái hợp phát quang Thông thường vật liệu có tác dụng tăng c ường phun truyền lỗ trống thường có mức HUMO vào khoảng 5eV ,do cơng anốt phải đạt giá trị xấp xỉ 5eV , tối thiểu 4eV vật liệu phải đảm bảo yêu cầu độ ổn định theo thời gian, bền với nhiệt độ khả kết dính với lớp vật li ệu hữu khác phủ lên LUMO h Anốt HOMO HIL/HTL Hình A II Tiếp giáp Anốt lớp phun lỗ trống Câu : dùng điện cực ITO có ưu nhược gì? Ưu: phổ biến số TCO chế tạo nhiều ppháp khác (phún xạ (Magnetron, DC, RF …), bốc bay nhiệt, bốc bay chùm điện tử, sử dụng xung laser, ph ương pháp CVD, phương pháp nhúng (Deep -Coating) Màng ITO có độ truyền qua cao, độ gồ ghề bề mặt thấp Hạn chế điện trở suất cao (xấp xỉ 2.10 -4 Ω/cm), bề mặt ITO dễ phản ứng hóa học cơng ITO khoảng 4,5-4,8eV Các yếu tố làm hạn chế trình phun lỗ trống, từ làm giảm hiệu suất hoạt động OLED sau chế tạo, màng ITO đòi hỏi phải xử lý nhiệt để nâng cao chất l ượng Q trình khơng thực màng ITO phủ đế plastic (PET, PEN) nhiệt độ cao nung (>200 oC) làm biến dạng phá hủy đế màng ITO phủ đế thủy tinh mờ dần thủy tinh theo thời gian l àm giảm đáng kể cường độ ánh sáng phát Khắc phục nghiên cứu chế tạo OLED phát xạ đảo, nghĩa ánh sáng phát qua anốt mặt catốt phủ lên đế thủy tinh Trước dùng làm điện cực màng ITO xử lý để làm nâng cao chất lượng Xử lý Plasma khí Oxi UV – Ozone dung dịch axit ba zơ loãng Aquaregia, RCO Protocol …xử lý ITO phương pháp giúp làm tăng cơng thốt, gi ảm điện trở bề mặt độ gồ ghề, từ tăng cường q trình phun lỗ trống nâng cao hiệu suất linh kiện Câu 5: dùng điện cực kim loại dc ko? Có thể sử dụng kim loại hợp kim có cơng cao (nh Au, Ag, Ni …) làm Anốt cấu trúc OLED đảo thay cho ITO Bạc, Niken, … có cơng thoát cao so v ới ITO, hiệu suất phun hạt tải thấp xuất dipole bề mặt, l àm tăng rào tiếp xúc kim loại – hữu Anốt sử dụng ZnO pha tạp nhơm (AZO) có giá thành thấp, màng sau chế tạo có tính chất tốt (với màng dày 200nm, độ gồ ghề bề mặt khoảng 2nm, điện trở mặt 30 / độ truyền qua 83%), không cần xử lý nhiệt nhiệt độ cao nh ITO độ truyền qua chưa tốt ITO, công thoát thấp ( 4,2eV), điện trở bề mặt cao …), Lưu ý với đế plastic ( hình oled) Nhiệt độ cao trình nung sau chế tạo ITO làm hư hại đế Để khắc phục nhược điểm này, suốt trình chế tạo phương pháp phún xạ RF mơi trường khí Argon kết hợp với Hydro đế giữ khoảng 60 ± oC chân khơng trì áp suất 2.10-4 Pa Sự có mặt hỗn hợp khí Argon - Hydro mơi trường giúp làm tăng độ dẫn điện, độ truyền qua màng ITO tạo thành : điện trở mặt xấp xỉ 25 / , độ truyền qua 83% Để tăng khả bám dính m àng giảm độ thơ bề mặt, lớp mỏng Acrylic đ ược phủ lên đế PET trước tạo màng ITO Câu 6: yêu cầu lớp vật liệu phun (HIL) v truyền (HTL) lỗ trống Vai trị tăng cường q trình cung cấp hạt vào lớp vật liệu hữu khác, từ làm giảm điện hoạt động kéo dài thời gian sống linh kiện góp phần nâng cao cân l ượng hạt tải vùng phát, từ làm tăng hiệu suất phát quang giúp giảm độ gồ ghề bề mặt anốt, góp phần tăng khả liên kết anốt với loại vật liệu khác Yêu cầu phù hợp mặt lượng với anốt lớp phát quang Nghĩa mức HUMO lớp phải cao cơng anốt thấp mức HUMO lớp phát quang, nhằm đảm bảo cho trình phun truyền hạt tải nhiệt độ chuyển pha thủy tinh T g vật liệu HIL/HTL phải cao ( để độ ổn định cao hơn, đảm bảo hoạt động OLED) Khơng bị hịa tan dung môi vật liệu dùng làm lớp phát quang có độ truyền qua cao Một số vật liệt phun truyền lỗ trống phổ biến : Phức kim loại - Porphyrin (Copper Phthalocyanine – CuPc), mức HUMO 5,1eV SAM - TPD : Một lớp mỏng hợp chất TPD với vật liệu vô TDP - SiCl2 hay TDP - Si2OMe Các vật liệu vô TiO 2, SiO2 Câu 7: Lớp vật liệu phát quang (EML) Nơi xảy tái hợp phát ánh sáng Yêu câu đảm bảo phù hợp mặt lượng với lớp khác OLED, cho tái hợp đạt hiệu tốt có độ linh động hạt tải cao (của electron lỗ trống) độ dày vị trí thích hợp để đảm bảo phát quang không bị dập tắt thỏa mãn yêu cầu ổn định với nhiệt độ (nhiệt độ chuyển pha thủy tin h cao) tác nhân hóa học Vật liệu sử dụng cho lớp phát quang PPV (phát ánh sáng xanh cây) CNPPV, MEHPPV (phát ánh sáng da cam) PFO (phát ánh sáng xanh lam) dẫn xuất PFO, Polythiophen (PTs) (phát ánh sáng đ ỏ) Vật liệu nghiên cứu sử dụng phổ biến Alq3 Câu 8: Lớp truyền điện tử (ETL) Vai trò tăng cường trình truyền dẫn điện tử đảm bảo cân hạt tải làm giảm độ cao rào catốtvà EM Yêu cầu phải có lực điện tử cao lượng ion hóa thấp độ linh động điện tử cao (> 5.10 -5 cm/Vs) ổn định mặt nhiệt độ, hóa học có tương thích với lớp vật liệu khác nhằm tạo đồng cho linh kiện Các vật liệu truyền điện tử phổ biến n ay Phức hữu kim loại Các hợp chất Oxidazole Các hợp chất có chứa liên kết N = C (imine) quinoline, anthrarozine, pyridine … Vật liệu truyền điện tử sử dụng phổ biến l Alq3 (OLED với lớp phát quang MEHPPV sử dụng Alq làm lớp truyền điện tử có hiệu suất lượng tử cao gấp 100 lần so với linh kiện đơn lớp MEHPPV ) Câu9: chọn Điện cực Catốt nào, cho ví dụ Tương tự anốt, vật liệu dùng làm catốtcũng phải thỏa mãn yêu cầu độ dẫn điện khả liên kết với lớp vật liệu hữu c Chân khơng độ bền (nhiệt, hóa học )… WF LUMO e HOMO ETL/EIL Cathode Hình A II Cấu trúc vùng lượng tiếp giáp ETL/Cathode vật liệu làm catốt phải có cơng thấp (đảm bảo chênh lệch lượng cơng catốt mức LUMO lớp hữu tiếp giáp nhỏ nhằm tăng cường hiệu trình truyền điện tử ) catốt phải có độ phản xạ cao cấu trúc OLED th ường (ánh sáng phát qua anốt) độ truyền qua cao cấu trúc OLED đảo vật liệu phù hợp: kim loại hợp kim có cơng thấp (nh Mg, Ca, Al, Ba…) phù h ợp nhiên chúng dễ bị ảnh hưởng Oxi nước khơng khí (đặc biệt l Ca, Ba ), làm giảm khả hoạt động tuổi thọ linh kiện =>một lớp nhôm mỏng phủ lên bề mặt catốt sau chế tạo nhằm giảm ảnh h ưởng chất hóa học mơi trường vật liệu hợp kim như: Mg - Ag, Li - Al; hợp chất kim loại kiềm nh Li2O, LiBO 2, Cs2CO3 …hay muối CH3COOM, với M kim loại kiềm Li, Na, K, Rb, Cs câu 10: nêu Cơ chế hoạt động OLED Hình A II Minh họa chế hoạt động OLED cung cấp điện thế, hạt tải phun từ điện cực di chuyển qua lớp chức đóng vai trị tăng cường trình truyền , hình thành cặp exciton kết hợp Tại vùng phát quang, cặp exciton tái hợp, phát photon có l ượng hv, ánh sáng mà quan sát (Hình A II.22) Cơ chế hoạt động OLED dựa tr ên trình chính, bao gồm : Sự phun hạt tải từ điện cực v lớp vật liệu hữu Quá trình truyền hạt tải Hình thành cặp exciton điện tử- lỗ trống Sự tái hợp cặp điện tử lỗ trống v phát quang Kiểm soát trình ngưng tụ Quá trình ngưng tụ kiểm sóat thông qua nhiệt độ đế Nhiệt độ đế cao: Tăng lượng nhiệt phân tử hấp phụ Làm ngắn thời gian tồn phân tử hấp phụ bề mặt đế Tăng khuếch tán bề mặt phân tử hấp phụ Ủ Đế nhiệt câu 12: phương pháp ủ nhiệt tốt ủ nhiệt bằn ghồng ngoại th ì gây tạp bẩn ủ nhiệt điện trở ( bay h nhiệt điện trở gây tạp bẩn n ày) Dùng đèn hồng ngoại Sợi đốt điện trở nhiệt Thuyết động học khí Nồng độ khí n=PV/RT • áp suất chuẩn, n ~ 2.7 x 10 19 phân tử/cm3 • p suất chuẩn: atm = 760 mmHg = 760 torr = 1.013 x 10 Pa Quảng đường tự trung bình (λ): Khoảng cách trung bình phân tử di chuyển trước va chạm với phân tử khác Áp suất (Torr) 5.10 p(Torr) Mật ñoä (cm-3) Câu 13: Tại áp suất tăng tốc độ lắng đọng giảm? Quãng duog tự tỉ lệ nghịch với áp suất Áp suấ tăng lamda giảm, nguyên tử bốc bay xảy va chạm nhiều, dẫn đến tốc độ lắng đọng giảm Quảng đường tự trung bình Khí 760 2.7x1029 0.07 m Chân không thấp 10-3 3.5x1013 50 mm Chân không cao 10-6 3.5x1010 5m Chân không siêu cao p Câu 11: Tại phải cung cấp lượng? để nguyên tử bốc bay chọn bề mặt ưu tiên ( có nhiều mặt mạng) cần có điều kiện lương phải cung cấp luog để khuếch tán tìm bề mặt phù hợp ( cách cấp nhiệt cho đế, thay đổi công suất ) 10-9 3.5x107 50 km Dòng phân tử Dòng phân tử Dòng phân tử đơn vị diện tích bề mặt giây định nghóa tốc độï bắn phá phân tử lên bề mặt J p mkT 3.513x10 22 p MT M: phân tử lượng P: áp suất (Pa) T: Nhiệt độ tuyệt đối K: Hằng số Boltzman m: Khối lượng phân tử dư gây áp suất 10 -6 Torr, nhiệt độ phòng (phân tử/cm2.s) Thời gian hình thành lớp đơn nguyên tử: t Dòng nguyên tử đập lên đơn vị diện tích bề mặt khí NS J N S mkT p NS: Mật độ bề mặt (phân tử/cm2) P =10-6 Torr = 1,3.10 -4 N/m2, MH2O =18 J = 6,2.1016 (phân tử/cm2.s) Dòng khối lượng đập lên đơn vị diện tích bề mặt Z m 3.513x1022 p MT 5.833x10 p M T (g/cm2.s) Sự biến đổi bề dày r r Câu 14: xa tâm đế bề dày màng giảm? giải thích ko bốc bay với diện tích đế lớn? Càng xa tâm đế, tức d/2 tăng r’ tăng dẫn đến độ dày giảm, Càng xa độ dày giảm, để màng tương đối đồng đế ko dc lớn q d Mẫu m cos cos r2 G Ở tâm, =0 Z cos r2 m G Ở cạnh 2 r m G r r 2 r Tốc độ phân tử đập lên bề mặt màng Hệ số dính Z D e s Z ZDes : Tốc độ giải hấp Z: Tốc độ phân tử đập lên bề mặt màng =1 Khí O2, H2O, Cacbonhydrate phức (dầu bơm) 1 th ì phản ứng xẩy hồn tồn K