Trên hình 4.15 là giản đổ cấu trúc mức năng lượng của bốn linh kiện mà chúng tôi chế tạo để khảo sát đặc trưng I-V của các tổ hợp màng nanocomposit. Khi nghiên cứu mức năng lượng của các polymer dẫn và các hạt nano vô cơ được thể hiện trên hình vẽ 4.15, chúng ta có cơ sở để giải thích cơ chế dẫn truyền điện tích, khi áp điện vào linh kiện dẫn tới dòng dẫn điện, cho ta đặc trưng I-V của linh kiện. Từ đó chúng ta xác định được thông tin về hiệu suất phát quang của linh kiện.
Thông qua việc khảo sát đặc trưng cấu trúc, tính chất điện quang của các màng tổ hợp nanocomposit đã trình bày ở trên. Chúng tôi thực hiện chế tạo các loại linh kiện OLED với cấu trúc ITO/PVK:MEH-PPV:nc-ZnO/Al, ITO/PAni:nc-TiO2 /Al, ITO/PAni:nc-ZnO/Al và ITO/PAni:QD-CdSe/Al để khảo sát đặc trưng I-V của các linh kiện này.
Từ kết quả phổ I-V được thể hiện trên hình 4.16, ta thấy các linh kiện đã chế tạo có dặc trưng I-V giống như đặc trưng I-V của một diode vô cơ thông thường: nghĩa là khi cấp điện áp nguồn từ giá trị thấp tăng dần lên giá tri cao thì linh kiện này có dòng dẫn tăng lên. Ban đầu với điện thế thấp bắt đầu có dòng dẫn nhưng còn rất nhỏ, nhưng khi nguồn cấp tăng đến giá trị thế mở dòng thì dòng dẫn tăng mạnh, và gần như tuyến tính rồi đạt bão hòa với các giá trị điện áp lớn.
Trên hình 4.16 ta thấy giá trị thế mở dòng của các linh kiện nằm vào khoảng 1.5 V đến 2 V. Linh kiện OLED đơn lớp với vật liệu polymer thuần có giá trị dòng khá thấp với giá trị thế ngưỡng ở 5 V là 0.15 mA. Trong khi đó, với các linh kiện tạo từ lớp màng tổ hợp PAni:nc-ZnO với các tỉ lệ khối lượng 3:1. 1:1 và 1:3 thì các giá trị dòng ở thế ngưỡng 5 V lớn hơn gần 10 lần, các giá trị đó là 1.13 mA, 0.96 mA và 1.5 mA. Từ hình 4.16 b ta cũng nhận thấy tổ hợp màng PAni:nc-ZnO với tỉ lệ 1:3 cho ta
ZnO là 3:1 và 1:1. Tức là linh kiện này sẽ cho ta hiệu suất điện phát quang tốt nhất. Mặt khác khi so sánh đặc trưng I-V giữa các linh kiện OLED tạo từ các loại tổ hợp màng nano composite khác nhau và từ màng polymer thuần, thì ta nhận thấy sự pha tạp các hạt nano hay chấm lượng tử vào màng polymer để tạo linh kiện OLED sẽ cho ta những linh kiện có dòng dẫn điện cao hơn, tức là hiệu suất linh kiện được cải thiện đáng kể, so với linh kiện OLED từ màng polymer thuần. Trong các cấu trúc linh kiện OLED đã chế tạo thì linh kiện có cấu trúc ITO/PVK:MEH-PPV:nc-ZnO/Al cho ta dòng dẫn điện cao nhất. Tức là hiệu suất điện phát quang của loại linh kiện này cao hơn nhiều lần so với các loại linh kiện OLED khác đã chế tạo.
a) b)
d)
c)
Hình 4.15. Giản đồ cấu trúc năng lượng của các linh kiện OLED a) ITO/PVK:MEH-PPV:nc-ZnO/Al b) ITO/PAni:nc-TiO2/Al c) ITO/PAni:nc-ZnO/Al d) ITO/PAni:QD-CdSe/Al
Phép đo đặc trưng I-V cho thấy sự có mặt của các hạt nanô (hay chấm lượng tử) trong nền polymer có thể nâng cao hiệu suất cho linh kiện. Có thể giải thích nhận định này là do sự thay đổi hình thái học của linh kiện khi có các hạt nanô trong tổ hợp hoặc lai làm tăng khả năng xác suất tái hợp của điện tử - lỗ trống. Trong quá trình quay của phương pháp quay phủ li tâm, các hạt nanô có thể bám dính vào lớp truyền lỗ trống và bám dính vào nhau do tác dụng của lực tĩnh điện, và sau đó lực mao dẫn có thể cuốn dung dịch polymer vào các khe trống nhỏ xung quanh các hạt nanô. Điều này làm cho bề mặt trên cùng của linh kiện trở nên nhám, do đó khi bốc bay nhiệt lớp màng nhôm lên trên bề mặt đó sẽ có khả năng làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt giữa catôt và lớp
màng polymer tổ hợp hoặc lai cấu trúc nanô, làm cho các tiếp xúc trở nên Omic hơn. Thêm nữa sự phân ly và truyền điện tích tại các biên tiếp giáp nanô/polymer là cho qúa trình tiêm điện tích, đặc biệt là tiêm điện tử vào trong nền polymer trở nên tốt hơn. Điều này cũng đồng nghĩa với việc làm giảm chiều cao rào thế tại các lớp tiếp xúc. Do vậy điện áp làm việc của linh kiện sử dụng màng tổ hợp giảm so với điện áp làm việc của linh kiện sử dụng màng polymer thuần nhất. Tại điện áp thấp, sự tiêm điện tích vào lớp phát quang được cho là bị catôt hạn chế, đoạn tăng rất dốc của đặc trưng I-V của linh kiện tổ hợp cho thấy sự tiêm điện tích tại catôt đang xảy ra - nguyên nhân có thể do bề mặt nhám của màng tổ hợp cấu trúc nanô. Tại điện áp cao hơn, sự truyền điện tích vào lớp phát quang làm xuất hiện vùng điện tích không gian tới hạn. Đây cũng là lý do vì sao linh kiện sử dụng màng tổ hợp làm lớp phát quang hoặc lớp truyền lỗ trống lại cho hiệu suất cao hơn linh kiện chỉ sử dụng màng thuần nhất. [29]
a) b)
c) d)
Hình 4.16. Phổ đặc trưng I-V của linh kiện OLED
a) ITO/MEH-PPV/Al b) ITO/PAni:nc-ZnO/Al c) ITO/PAni:nc-TiO2 1:4/Al, ITO/PAni:nc-ZnO 1:3 và ITO/PAni:QD-CdSe 150:5/Al d) ITO/PVK:MEH- PPV:nc-ZnO 20%/Al
KẾT LUẬN
Sau thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu của luận văn tôi đã thu được các kết quả như sau:
1. Chế tạo thành công các tổ hợp vật liệu nanocomposite gồm: PVK:MEH- PPV:nc-ZnO, PAni:nc-TiO2, PAni:nc-ZnO và PAni:QD-CdSe.
2. Sự pha tạp các hạt nano vô cơ: nc-ZnO, nc-TiO2 và QD-CdSe vào vật liệu polymer dẫn PVK, MEH-PPV và PAni chỉ là sự pha trộn cơ học, không làm thay đổi cấu trúc hóa học của các polymer. Điều này thể hiện ở việc vị trí các đỉnh phổ hấp thụ trong các màng tổ hợp trùng với vị trí các đỉnh phổ hấp thụ trong màng polymer thuần.
3. Khi pha tạp các hạt nano vô cơ vào nền polymer thuần đã hình thành các biên tiếp xúc vật liệu vô cơ/ hữu cơ tạo điều kiện cho việc khuếch tán điện tử và lỗ trống giữa vật liệu hữu cơ và vô cơ, dẫn đến cường độ phổ hấp thụ và phát quang, cũng như tính dẫn điện của các màng tổ hợp nanocomposite có sự thay đổi đáng kể so với màng polymer thuần.
4. Kết quả phổ hấp thụ cho thấy, đa số các màng tổ hợp khi tăng nồng độ pha tạp hạt nano thì cường độ hấp thụ tăng. Trong khi đó ở các phổ phát quang, cho ta thấy hai hiệu ứng khi pha tạp các hạt nano vô cơ vào nền polymer thuần là: Hiệu ứng tăng cường huỳnh quang và hiệu ứng dập tắt huỳnh quang. Nó phụ thuộc vào tổ hợp vật liệu nanocomposit và tỉ lệ thành phần hỗn hợp.
5. Từ kết quả phổ đặc trưng I-V cho ta thấy sự pha trộn hai lớp HTL và EML đã làm cho rào thế tiếp xúc ohmic của điện cực cathode và anode với vật liệu hữu cơ giảm xuống, các điện tử sau khi được bơm vào từ catôt có thể được truyền qua các biên tiếp xúc này, do đó ít bị rơi vào các lỗ rỗng, sai hỏng - vốn là các bẫy bắt giữ các điện tử trong nền polymer. Điều này làm cho dòng tiêm điện tử gần bằng với dòng tiêm lỗ trống, dẫn đến hiệu suất lượng tử điện huỳnh quang của linh kiện sử dụng màng tổ hợp cấu trúc nanô cao hơn so với hiệu suất của linh kiện sử dụng các màng polymer thuần. [30]
Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn là:
Tiếp tục nghiên cứu các tổ hợp màng nanocomposite với các tỉ lệ khác nữa để tìm ra tỉ lệ tối ưu của mỗi tổ hợp màng. Nghiên cứu chế tạo được những linh kiện OLED sử dụng một tổ hợp vật liệu nanocomposite thích hợp nhất với tỉ lệ các thành phần là tối ưu, kết hợp với việc sử dụng các lớp màng dẫn truyền điện tử và chặn lỗ trống để tạo ra những linh kiện OLED hoàn thiện với hiệu suất phát quang cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyen Nang Dinh, Le Ha Chi, Nguyen Thang Long, Tran Thi Chung Thuy, Tran Quang Trung3 and Hyung-Kook Kim(2009), “Preparation and characterization of nanostructured composite films for organic light emitting diodes”, AMSN08, Journal of phsics: Conference series 187 (2009) 012029.
2. Dinh, N. N. and Chi, L. H. and Thuy, T. T. C. and Thanh, D. V. and Nguyen, T. P. (2008), “Study of Nanostructured Polymeric Composites and Hybrid Layers Used for Light-Emitting Diodes”, Jounarl of the Korean Physical Society, Vol 53, No. 2, August 2008, pp. 802-805.
3. Stephanie V. Chasteen (2005), “Exciton dynamics in conjugated polymer phottovolataics: steady –state and time-resolved optical spectroscopy”, Doctor of philosophy in Physics.
4. Singh, R. Kumar, R. M. Mehra, S. Kumar, V. K. Sachder (1997), “Electrical conducting polymers”, An overview. Solid State Phenomena, pages 104-109. 5. Ungyu Paik, Sangkyu Lee and Jea – Gun Park (2008), “Effect of Physicochemical
Properties of Solvents on Microstructure of Conducting Polymer Film for Non- Volatile Polymer Memory”, Journal of Semiconductor Technology and Science, Vol.8, 46-49, No.1.
6. J. Liu, T. F. Guo, Y.Shi and Y. Yang (2001), “Solvation induced morphologiacal effects on the polymer/metal contacts”, Journal of Applied Physics, Vol. 89, paper 3668-3673. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
7. J. Liu, Y. Shi and Y. Yang (2001), “Solvation – induced morphology effect on the performance of polymer-based photovoltaic devices”, Advanced Functional Materials, Vol. 11, paper 420-424.
8. Steffan Cook (2006), “Photo-induced Charge Generation and Recombination in Conjugated Polymer - Methanofullerene Blend Films”, Doctor of Philosophy in Chemistry at Imperial College London.
9. Dmitrii F.Perepichka, Hong Meng and Mang-Mang Ling (2007) Phosphorescent Polymer Light-Emitting Diodes”, CRC Newyork , pages 413-417.
10. Hong Meng and Norman Herron (2007), “Organic Small Molecule Materials for Organic Light-Emitting Diodes”, CRC Newyork, pages 295-394.
11. JAN KALINOWSKI (2005), “Emission Mechainsms in Organic Light-Emitting Diodes”, Taylor & Francis Group, LLC, paper 23-100.
12. SU-HUA YANG and CHIEN-FA LEE (2007), “Luminescence mechanism and properties of white light PVK:MEH-BP-PPV polymer LED prepared by blending”, JOURNAL OF OPTOELECTRONICS AND ADVANCED MATERIALS Vol. 9, No. 7, p. p.2078 – 2081.
13. DISSERTATION and YUNFEI ZHOU (2011), “Bulk-heterojunction Hybrid Solar Cells Based on Colloidal CdSe Quantum Dots and Conjugated Polymers”, FREIBURG IM BREISGAU.
14. J. STEJSKAL and R.G. GILBERT (2002), “POLYANILINE, PREPARATION OF A CONDUCTING POLYMER”, Pure Appl. Chem., vol.74, no.5, pp.857-867. 15. Chu-Yu Lee; Yau-Te Haung; Wei-Fang Su and Ching-Fuh Lin (2006), “
Electroluminesscence from ZnO nanoparticles/Organic nanocomposites”, APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 231116.
16. Aga and Mu (2010),”Doping of Polymers with ZnO Nanostructures for Optoelectronic and Sensor Applications”, Nanowires Scien and Technology, ISBN 978-935-7619-89-3.
17. Zong-Xiang Xu and V.A.L.Roy (2007), ”Nanocomposite field effect transistors based on zinc oxide/polymer blends”, APPLIED PHYSICS LETTERS 90, 223509. 18. Tae-Woo Lee and O Ok Park (2001), “White emisson from a ternary polymer blend by incomplete cascade energy transfer”, Synthetic Metals 122 ,pp. 437-441. 19. Xinwen Zhang, Zhaoxin Wu & et al (2010), “Effects of dilution and charger
trapping on the performance of light-emitting diode of poly(9- vinylcarbazole)doping with poly[2-methoxy-5-(2’-ethyl hexyloxy)-1,4-phenylence vinylenne]”, Journal of Applied Polymer Scicence. Volume 117, Issue 2, pages 1213-1217.
20. http://www.ami-cu.com, Advanced Materials Lab Chemistry Department-Faculty
of Science-Cairo University, Nano-structured composite metallic oxide/polymeric materials for photoelectrochemical energy conversion application.
21. M. R. Nabid, M. Golbabaeel, A. B. Moghaddam, R. Dinarvand, R. Sedghi (2008), “ Polyaniline/TiO2 Nanocomposite: Enzymatic Sythesis and Electrochemical Properties”, Int. J. Electrochem Science, 3 1117 1126.
22. S. V. Bhat and S. R. C. Vivekchand (2006), “Optical spectroscopic studies of composites of conductingPANI with CdSe and ZnO nanocrystals”, Chemical Physics Letter 433, pp.154-158.
23. Jong Hyeok Park, So-Il Park, Tae-Ho Kim and O Ok Park (2007), “Enhanced electroluminescence in emissive polymer/CdSe double-layer films”, Thin Solid Films 515, pp.3085-3089.
24. Toshikazu Satoh, Hisayoshi Fujikawa and Yasunori Taga (2005), “Influence of indium tin oxide electrodes deposited at room temperature on the properties of organic light-emitting devices”, Applied Physics Letters 87, 143503.
25. F. Padinger, R. S. Rittberger, N. S. Sariciftci and Adv. Funct. Mater (2003), “Polymer Based Nanostructured Donor–Acceptor Heterojunction Photovoltaic Devices”, NREL/CP-520-33597.
26. V. M. Burlakov, K. Kawata, H. E. Assender, and G. A. D. Briggs, A. Ruseckas and I. D. W. Samuel (2005), “Discrete hopping model of exciton transport in disordered media”, Physical Review B 72, 075206.
27. S. A. Carter, J. C.Scott and P. J. Brock (1997), “Enhanced luminance in polymer composite light emitting devices”, Appl. Phys. Lett. 71 (9).
28. Fumitomo Hide, María A.Díaz-García, Benjamin J.Schwartz and Alan J.Heeger (1997), “New developments in the photonic applications of conjugated polymers”, Acc. Chem. Res. 1997, 30, pp.430-436.
29.D. E. Markov and P. W. M. Blom (2005), “Exciton quenching in polymer light- emitting diodes”, Phys Rev. B 72, 161401 (R).
30. S. H. Yang, T. P. Nguyen, P. Le Rendu and C. S. Hsu (2005), “Optical and electrical properties of PPV/SiO2 and PPV/TiO2 composite materials”,
Composites: Part A 36 pp.509-513.
31. Difei Qi, Michael Fischbein and Marija Drndi’c and Sandra Selmi’c (2005), “Efficient polymer-nanocrystal quantum-dot photodetectors”, APPLIED PHYSICS LETTER 86, 093103.
32. A.J.Nozik (2003), “Advanced Concepts for Photovoltaic Cells”, National Renewable Energy Laboratory. Denver, Colorado, U.S.
33. D.Y.Godovsky (2000), “Device Application of Polymer-Nanocomposites”,
Advances in Polymer Science, Vol.153, pages 163-205.
34. Chao-Ching Chang, Chia-Ling Pai, Wen-Chang Chen and Samson A. Jenekhe (2005), “Spin coating of conjugated polymers for optical applications”, Thin Solids Films 479, pp. 254-260. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
35. Chuang Shou-Bo and Yang Suhua (2004), “White emission from a binary polymer blend by cascade energy transfer”, National Kaohsiung University of Applied Sciences, Institute of Electronics and Information-JAPAN. NSC 93-2622-E-151- 018-CC3.
36. Stephen R. Forrest (2004), “Exciton formation statistics under electrical injection in organic semiconductor thin films”, Journal of Luminescence 110, pp. 378-383.