ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 6, № 4, 2010, стр. 32-45
ХИМИЯ И НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 541.49 + 547.514.72
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ДИЗАЙН ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ
ДИОДОВ (OLEDs)
© 2010 г. И.Е. Михайлов1, Г.А. Душенко1, Д.А. Стариков2, О.И. Михайлова2, академик В.И. Минкин2
В данной обзорной статье рассмотрены строение, принципы работы и практическое использование органических светоизлучающих диодов (OLEDs). Особое внимание в ней уделено недавним результатам и тенденциям в области молекулярного дизайна и синтеза электролюминесцентных материалов на основе сопряженных полимерных соединений, флуоресцентных б-, р- и ^-металлокомплексов и люминесцентных координационных соединений редкоземельных элементов. Показано влияние электронных, структурных факторов, межмолекулярных взаимодействий и природы металлоцентра на спектральные и рабочие характеристики светоизлучающих соединений, описаны пути создания полноцветных OLEDs. Приведены данные по гибридным электролюминесцентным соединениям, позволяющим перейти от сложных в изготовлении и эксплуатации многослойных OLEDs к простым и надежным однослойным электролюминесцентным устройствам.
Ключевые слова: органические светоизлучающие диоды (OLEDs), электролюминесцентные металлокомплексы, гибридные электролюминесцентные материалы, 8-гидроксихинолин, карбазол.
1. ВВЕДЕНИЕ
Органический светоизлучающий диод (Organic Light Emitting Diode - OLED) представляет собой полупроводниковое устройство, излучающее в результате электролюминесценции некогерентный свет при пропускании через него электрического тока [1]. Излучаемый OLEDs свет обычно лежит в узком диапазоне спектра, а его цветовые характеристики и интенсивность в основном определяются структурой органического полупроводника. С помощью светодиодов можно эффективно преобразовывать электрическую энергию в световую, что имеет большое практическое значение. Органические светоизлучающие диоды обладают уникальными техническими характеристиками. Их энергетическая эффективность составляет порядка 102 Лм/Вт, что намного выше, чем у всех известных искусственных источников излучения света, а яркость их может достигать 106 Кд/м2 при рабочем напряжении всего 5-10 В.
В органическом светоизлучающем диоде в качестве полупроводника выступает органическое соединение или металлокомплекс с органическим ли-
1 Южный научный центр Российской академии наук, 344006, Ростов-на-Дону, ул. Чехова, 41; e-mail: mikhail@ipoc.rsu.ru.
2 НИИ физической и органической химии Южного феде-
рального университета, 344090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки,
194/2.
гандом. Использование органических материалов в микроэлектронике, которое наметилось в последнее время, позволило подняться ей на новый качественный уровень. Это обусловлено их высокой структурной вариабельностью, позволяющей целенаправленно получать вещества с заданными рабочими и эксплуатационными характеристиками, хорошими механическими свойствами (высокой гибкостью, способностью образовывать тонкие пленки и нити), возможностью использования современных высокоэкономичных жидкофазных печатных нанотехно-логий при получении нужных изделий из них и т.д.
В настоящее время OLEDs наиболее широко используются для создания искусственного освещения и при производстве отображающих информацию устройств, таких как тонкие дисплеи для телевизоров и сотовых телефонов, мониторы для компьютеров, различные информационные табло, оптические индикаторы в разнообразных электронных устройствах и т.д. По сравнению с электрическими и другими искусственными источниками света органические све-тодиоды имеют следующие преимущества: высокий КПД, низкое рабочее напряжение, длительный срок службы, низкую стоимость, хорошо регулируемый спектр излучения, способность работать при низких температурах, отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации и т.д. Уже сейчас OLEDs используются в мощной осветительной аппаратуре, в семафорах, в фарах авто-
молекулярный дизаин электролюминесцентных материалов
33
мобилей, в уличном, промышленном и бытовом освещении, в подсветке ЖК-экранов, иБВ-устройствах, в светодиодных дорожных знаках, а также в качестве источников модулированного оптического излучения для передачи сигналов по оптоволокну в пультах дистанционного управления и в светотелефонах. Мониторы на основе ОЬЕБз имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с жидкокристаллическими дисплеями и электронно-лучевыми трубками. Они обладают высокой яркостью (>105 Кд/м2) и контрастностью (1 : 1000), хорошей цветопередачей, широким углом обзора (>170°), высокой эффективностью электролюминесценции (>22 Лм/Вт), имеют низкое рабочее напряжение (<5 В), малое время отклика (<1 мсек), позволяющее пропускать через них большой объем информации, стабильно работают в широком интервале температур (от -20 до +100 °С), они тонкие, легкие, прочные, стабильно работают и удобные в эксплуатации. В настоящее время имеются ОЬЕБз, работающие в инфракрасном диапазоне, что может быть использовано для производства на их основе приборов ночного видения.
2. СТРОЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ (ОЬЕББ)
2.1. Открытие и структура первых органических светоизлучающих диодов
Первое сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано еще в 1907 году британским исследователем Генри Раундом (ему удалось зафиксировать люминесценцию при пропускании электрического тока через карбид кремния), однако использование органических соединений для элект-
ролюминесцентных исследовании началось относительно недавно, в 60-х годах прошлого столетия, когда впервые была продемонстрирована электролюминесценция кристаллов антрацена. Однако, несмотря на интенсивные исследования, первые органические электролюминесцентные устройства имели существенные недостатки, ограничивающие их практическое использование. Так, для их работы требовалось высокое прикладываемое напряжение (>100 В), они обладали слабой яркостью (<2,5 Кд/м2) и низкой эффективностью излучения, а в процессе их эксплуатации происходила рекристаллизация рабочего вещества, что сокращало их срок службы до десятка минут.
Настоящий прорыв в области создания светоди-ов на основе органических соединений произошел только спустя четверть века, после открытия электролюминесценции в органических полупроводниках, когда представители фирмы Kodak Чин Тэнг и Стив Ван Слайк в 1987 году опубликовали статью "Organic electroluminescent diodes" [2]. В ней они описали новый класс тонкопленочных устройств на основе органических материалов, обладающих электролюминесцентными свойствами. Эти электролюминесцентные устройства существенно превосходили все, что было создано в этой области ранее. Они предложили схему светодиода с двумя слоями органических соединений между электродами вместо одного, что и позволило им добиться большого успеха. Кроме того, предложенная ими более двадцати лет назад конструкция органического светодиода (схема 1) и на сегодняшний день остается основным вариантом, используемым для создания современных OLEDs.
Схема 1
Alq3 NPB
Анод: ITO (In2O3, SnO2); катод: Mg:Ag (10 : 1)
MgAg
Alq3
NPB
ITO
Типичный органический светодиод представляет собой тонкопленочное сэндвичеобразное устройство. В качестве анода в нем выступает тонкий слой оксида индия и олова (indium tin oxid, или ITO), нанесенный на прозрачную стеклянную подложку. Из-за того, что этот слой является очень тонким, он хорошо пропускает свет, образующийся при пропускании электрического тока через светодиод. Непосредственно к аноду прилегает первый органический слой, состоящий из третичного ароматического диамина (NPB), выступающего в роли полупроводника р-типа, т.е. вещества, обладающего дырочной проводимостью. Толщина этого первого органического слоя составляет порядка 75 нм. Следом идет основной, светоизлучаю-щий слой, состоящий из комплекса алюминия с 8-гидроксихинолином. Это соединение относится к классу электролюминесцентных металлоком-плексов, и оно выступает в данном устройстве одновременно в двух ролях - в качестве светоиз-лучающего материала и в роли полупроводника я-типа, т.е. соединения, обладающего электронной проводимостью. И наконец, последним слоем в этом сэндвиче является катод, состоящий из смеси магния с серебром с атомным соотношением 10 : 1. Вся эта система, помещенная в герметическую стеклянную оболочку, имеет толщину менее 500 нм. При прохождении электрического тока напряжением от 2,5 В базовый слой, состоящий из трис(8-гидроксихинолината)алюминия (Alq3), начинает излучать фотоны, которые через прозрачный анод выходят наружу. Поток света становится все более интенсивным по мере увеличения силы тока. Интенсивность излучения возрастает с увеличением напряжения практически линейно и при 10 В яркость ее достигает 103 Кд/м2, что как минимум в два раза превышает соответствующий показатель сегодняшних жидкокристаллических мониторов. Следует заметить, что максимум яркости, создаваемый современными OLEDs, может превышать 105 Кд/м2. Максимум интенсивности излучения данного OLED приходится на длину волны 550 нм, что соответствует зеленому цвету. Естественно, кроме явных плюсов были и минусы у этого устройства. Прежде всего это сравнительно небольшая его долговечность. В первоначальных опытах светимость этого светодиода при постоянном напряжении падала вдвое уже после 100 ч непрерывной работы. Имелись проблемы и с отдельными участками спектра, в частности с голубым, и требовалась более высокая яркость излучения. Тем не менее прорыв в этом направлении был сделан, учитывая, что до этого для получения используемой для практических целей яркости требовалось напряжение от 100 В и выше.
К решению оставшихся проблем присоединились многие известные фирмы и научные центры, использующие высокие технологии, что в конечном итоге привело к созданию современных высокоэффективных OLEDs.
2.2. Современные органические светоизлучающие диоды
Строение современного OLED (схема 2) [3, 4] принципиально мало чем отличается от предложенной Чин Тэнгом и Ван Слайком схемы [2].
Сх
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.