Tính chất vật liệu polymer dẫn điện và ứng dụng của chúng vào chế tạo OLED

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VÕ THỊ HẢI YẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG VÀO CHẾ TẠO OLED LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Vinh, năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VÕ THỊ HẢI YẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG VÀO CHẾ TẠO OLED LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: TS. Cao Thành Lê Vinh, năm 2012 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin cảm ơn trường Đại Học Vinh, khoa Vật Lý, phòng đào tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện cho tác giả có một môi trường học tập, nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, TS. Cao Thành Lê, người đã định hướng, chỉ dẫn tận tình cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo bộ môn đã tận tình giảng dạy cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tác giả xin cảm ơn tập thể lớp Cao Học 18 chuyên nghành Quang Học, cảm ơn gia đình, anh em, người thân, bạn bè, và các đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ để tác giả có thể hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 9 năm 2012 Tác giả luận văn Võ Thị Hải Yến MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT - IP - ITO - LED - OLED - LUMO - HUMO - MEH-PPV - PPV - PVC - PVK - PA - PIA - PPy - PAn - P - SE - TE - ICT - ISC - TAPC - HIL - HTL - EIL - EML - ETL Ionisation potential (thế ion hóa) Indium tin oxide Light emitting device Organic light emitting diode Lowest unoccupied molecular orbital (quỹ đạo phân tử chưa lấp đầy thấp nhất) Highest occupied molecular orbital (quỹ đạo phân tử lấp đầy cao nhất) Poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] Poly(para-phenylene vinylene) Polyvinyl chloride Poly(vinyl carbazole) Polyacetylene Photo-induced absorption Polypyrrole Polyaniline Polaron Singlet exciton Triplet exciton Interchain Charge Transfer( Quá trình truyền điện tích liên chuỗi) Internal System Crossing. 1,1-bis[4-(di-p-tolyamino)]cyclohexane Hole injection layer (lớp phun lỗ trống) Hole transport layer (lớp truyền lỗ trống) Electron Injection Layer (lớp phun electron) EML Emission Layer (lớp phát quang) ETL Electron Transfer Layer (lớp truyền electron) - EL - CuPc - TCO - PTCDA - PEDOT - PEDOT-PSS - Alq 3 - AZO - CN-PPV - LCAO - MeLPPP Emission layer Copper phthalocyanine Ttransparent conducting oxide Perylenetetracarboxylic-dianitride Poly ethylenedioxy thiophene Polyethylene dioxythiophene pha tạp Polystyrene Sulfonate Hydroxyquinolin aluminium Aluminium-doped Zinc Oxide Cyano – substituted Poly para-phenylene vinylene Linear Combination of Atomic Orbital (tổ hợp tuyến tính các orbital nguyên tử) Methyl-Substituted Poly-Phenylene (Ladder Type) MỞ ĐẦU Trong xu thế phát triển như vũ bảo về khoa học và công nghệ vật liệu. Những vật liệu thân thiện với môi trường đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu để đưa vào sản xuất phục vụ đời sống con người, nâng cao chất lượng sống giảm thiểu các vấn đề về năng lượng, tài nguyên, môi trường, …trong số đó phải kể đến các vật liệu phát quang hữu cơ nói chung hay vật liệu polymer dẫn nói riêng. Do tính chất ưu việt của vật liệu phát quang hữu cơ nói chung và polymer dẫn nói riêng về mặt vật lý, hóa học, quang học và đặc biệt rất thân thiện với môi trường. Ngày nay loại vật liệu này đang được sử dụng một cách rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống như: trong công nghệ điện tử có rất nhiều sản phẩm được chế tạo trên cơ sở polymer dẫn như transitor, màn hình hiển thị hửu cơ OLED; trong công nghệ cảm biến sinh học, hóa học như cảm biến glucose trong máu trên cơ sở polypirrole, cảm biến NH 3 trên cơ sở polyaniline; trong lĩnh vực dự trữ năng lượng bao gồm nguồn điện, siêu tụ điện hóa, và trong lĩnh vực ăn mòn bảo vệ kim loại,… Từ khi khám phá và quan sát được sự phát xạ ánh sáng của vật liệu hữu cơ, thiết bị phát sáng hữu cơ được phát triển và hoàn thiện đáng kể. Thời gian sống của thiết bị cũng như hiệu suất hoặc điện thế làm việc được cải thiện thêm rất nhiều. Các màn hình phẳng dẻo kích thước lớn đang được tập trung nghiên cứu bởi những tập đoàn sản xuất lớn trên thế giới như Sony, Kodak, Sanyo, Samsung,…Bên cạnh đó các nghiên cứu về các linh kiện hay các sensor bán dẫn hữu cơ cũng được phát triển mạnh mẽ nhằm mục đích là thay thế cho các bán dẫn vô cơ vì giá thành rất thấp và sự đa dạng của chúng (hợp phần hữu cơ chiếm trên 90% các vật liệu hiện có trên thế giới) [17,18]. Đặc biệt trong những năm gần đây khi công nghệ chiếu sáng OLED/PLED sử dụng các vật liệu phát quang hữu cơ vô định hình đang dần hoàn thiện và có nhiều ưu điểm đáng kể so với màn hình LCD như hiệu suất cao hơn, mỏng hơn, lượng màu nhiều hơn, độ phân gải cao hơn, góc hiển thị lớn hơn, ít tiêu tốn năng lượng,… và đặc biệt nhất là tính “siêu mỏng” và “ siêu dẻo” của chúng sẽ làm tăng khả năng ứng dụng của OLED cho các thiết bị chiếu sáng, hiển thị [22,24,26] .đang dần đưa vào phục vụ đời sống một cách rộng rãi. Đất nước ta đang trên đà phát triển kinh tế, công nghiệp điện tử, …tuy nhiên, cơ sở của sự phát triển vững mạnh phải dựa trên công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn thì gần như dậm chân tại chổ do các thiết bị chế tạo linh kiện bán dẫn quá đắt tiền và chi phí vận hành thiết bị quá cao…Kết quả là không chỉ công nghệ bán dẫn trong nước không phát triển mà các nghiên cứu cơ bản cho công nghệ bán dẫn ở các trường Đại học, Viện Khoa học ở Việt Nam cũng gặp rất nhiều khó khăn. Polymer dẫn và các ứng dụng đa dạng có thể có của chúng hiện đang là một lựa chọn thích hợp trong công nghệ bán dẫn ở Việt Nam. Vì lý do đó mà tôi chọn đề tài nghiên cứu cho luận văn Thạc sỹ của mình là: “Tính chất của vật liệu polymer dẫn điện và ứng dụng của chúng vào công nghệ chế tạo OLED”. Dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy giáo TS. Cao Thành Lê. Mục đích của luận văn là tìm hiểu về tính chất điện, tính chất quang và điều kiện cũng như các phương pháp pha tạp để vật liệu Polymer dẫn điện có những ứng dụng rộng rãi thay thế các chất bán dẫn vô cơ tạo nên nguồn vật liệu mới với nhiều tính năng ưu việt và khả năng ứng dụng trong lĩnh vực chế tạo màn hình hiển thị OLED. Trên cơ sở đó tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của OLED. Để hoàn thành được luận văn tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu chủ yếu là tìm hiểu qua một số tài liệu đã được công bố, phân tích tổng hợp và logic các vấn đề thành một khối kiến thức thống nhất. Bố cục luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận thì nội dung gồm hai chương sau: Chương I: Trong chương này tôi chủ yếu tập trung tìm hiểu về vật liệu polymer dẫn điện đặc biệt tìm hiểu về tính chất điện và tính chất quang cũng như cấu trúc vùng năng lượng của chúng, để làm cơ sở tìm hiểu các khả năng ứng dụng của chúng trong công nghệ chế tạo OLED ở hiện tại và trong tương lai… Chương II: Trên cơ sở tìm hiểu về vật liệu Polymer ở chương I trong chương II tôi tập trung tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của OLED, cũng như một số thiết bị ứng dụng của OLED ở hiện tại và tương lai như OLED trong suốt, OLED trắng, các màn hình hiển thị OLED,… CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN 1.1 Giới thiệu chung về polymer dẫn Khám phá về polymer dẫn điện được phát hiện bắt đầu vào thập kỷ 70 khi các nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu Polymer có thể thay đổi từ chất điện môi thành “kim loại’’ bằng cách pha tạp hóa học. Polymer dẫn là các polymer có hệ thống nối đôi liên hợp trong cấu trúc phân tử, đây là chất bán dẫn hữu cơ. Ưu điểm của polymer dẫn là dễ gia công, chủ yếu bằng cách hòa tan trong dung môi. Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của một vài Polymer dẫn thông dụng. Các hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ là điện tử và lỗ trống trong liên kết π. Sự truyền hạt tải trong chất bán dẫn hữu cơ phụ thuộc vào các quỹ đạo liên kết π và sự chồng chập của các hàm sóng cơ học lượng tử. Khả năng truyền hạt tải phụ thuộc vào khả năng các hạt tải vượt qua từ một phân tử này tới một phân tử khác. Các polymer truyền thống như polyethylene, các điện tử hóa trị được liên kết trong các liên kết hóa trị lai hóa sp 3 . Chẳng hạn như các điện tử liên kết δ có độ linh động thấp và không góp phần vào quá trình dẫn điện. Tuy nhiên, đối với các polymer dẫn thì điều này lại hoàn toàn khác. Các polymer dẫn có các tâm cacbon lai hóa liền kề nhau sp 2 , mỗi điện tử hóa trị trên mỗi tâm cư trú trong quỹ đạo p z , liên kết này trực giao (vuông góc) với 3 liên kết δ khác. Các điện tử trong các quỹ đạo dịch chuyển này có độ linh động cao khi . văn Thạc sỹ của mình là: Tính chất của vật liệu polymer dẫn điện và ứng dụng của chúng vào công nghệ chế tạo OLED . Dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy giáo. GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VÕ THỊ HẢI YẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU POLYMER DẪN ĐIỆN VÀ ỨNG DỤNG CỦA CHÚNG VÀO CHẾ TẠO OLED LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ