научная статья по теме ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ КВАЗИДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР CDSE В ГИБРИДНОМ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕМ ДИОДЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ КВАЗИДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР CDSE В ГИБРИДНОМ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕМ ДИОДЕ»

ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ КВАЗИДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ НАНОСТРУКТУР CdSe В ГИБРИДНОМ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕМ ДИОДЕ

А. С. Селюков", А. Г. ВитухновскийаЬ>€, В. С. Лебедева>€* А. А. Ващенко". Р. В. Васильевd, M. С. Соколикова'1

а Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии паук

119991, Москва, Россия

ь Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

115409, Москва, Россия.

€Московский физико-технический институт (государственный университет) 1417OO, Долгопрудный, Московская. обл., Россия.

d Московский государственный университет им.. М. Б. Ломоносова

119992, Москва, Россия

Поступила в редакцию 13 октября 2014 г.

Представлены результаты исследования синтезированных в работе квазидвумерных наноструктур, представляющих собой полупроводниковые коллоидные нанопластинки CdSe с характерным продольным размером 20-70 нм и толщиной в несколько атомных слоев. Методами ТЕМ- и AFM-микроскопии и рентгеновской дифракции изучена их морфология, определены кристаллическая структура и размеры. При комнатных и криогенных температурах исследованы спектры и кинетика фотолюминесценции таких наноструктур (квантовых ям). С использованием органических материалов TAZ и TPD, составляющих соответственно электронный и дырочный транспортные слои, разработан гибридный светоизлучающий диод, который функционирует на основе нанопластинок CdSe в качестве плоского активного элемента (эмиттера). Получены спектральные и вольт-амперные характеристики созданного устройства с длиной волны излучения Л = 515 нм. Напряжение включения устройства составило 5.5 В (видимое проявление свечения). Использование подобного типа квазидвумерных наноструктур является перспективным для создания гибридных светодиодов с чистым цветом и низкими рабочими напряжениями.

DOI: 10.7868/S0044451015040035 1. ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие нанофотоники тесно связано с разработкой новых композитных наномате-риалов и с изучением фундаментальных механизмов их взаимодействия с оптическим излучением. Проведение фундаментальных исследований оптических свойств композитных материалов необходимо для решения ряда актуальных задач субволновой оптики [1 4] и для многочисленных приложений в на-

* E-mail: vslebedev.mobüeü'gmail.com

иотехиологии [5 9]. Новые композитные материалы и гибридные наноструктуры широко используются для создания на их основе фотонных и оптоэлек-тронных устройств будущего поколения, таких как солнечные батареи [10 13], светоизлучающие диоды [14 16] и нанолазеры [17 19]. Композитные нано-материалы используются для разработки фотонных переключателей [20, 21], биосенсоров [22], нановол-новодов [23 26] и металлизированных оптических зондов ближнего поля с диэлектрической [27 30] и полупроводниковой [31 33] сердцевинами, предназначенных для создания локализованных на нано-метровых масштабах световых полей.

Особый интерес для оптоэлектроники представляют разнообразные композитные наноматериалы различного состава, формы и размеров, состоящие из неорганической и органической компонент [34, 35]. Это связано с тем, что органические полупроводниковые материалы являются менее дорогими для многих приложений, чем их неорганические аналоги, а также с тем, что многие органические материалы обладают уникальными оптическими и электрофизическими свойствами. Большое число работ выполнено, в частности, по исследованию разнообразных эффектов взаимодействия света с гибридными металлооргаиическими наноструктурами, в том числе с двухкомпонентными и трех-компоиептиыми наночастицами сферической формы [36 43] и в форме нанопалочек [44 46], содержащими металлы и молекулярные Л-агрегаты органических красителей.

Наряду с этим во многих ведущих паучио-тех-иологических центрах интенсивно проводятся фундаментальные и прикладные исследования, нацеленные на разработку фотонных и оптоэлектрон-ных устройств, которые функционируют на основе композитных материалов, содержащих органические компоненты и коллоидные полупроводниковые нанокристаллы различной формы и размеров. Это обусловлено уникальными оптическими свойствами полупроводниковых нанокристаллов и возможностями эффективного управления ими благодаря наличию квантоворазмерных явлений и эффектов формы. В частности, широко исследуются процессы и механизмы фото- и электролюминесценции коллоидных нанокристаллов сферической формы (Ссйе, Сей, ('<1Яе ХпЯ. ('<1Яе ('<1Я. ХпЯе ('<1Яе ХпЯ и др.), внедренных в органические матрицы. Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы и органические материалы успешно применяются для создания гибридных фотовольтаических элементов [47 50]. Большое количество работ было посвящено разработкам и исследованиям гибридных светоизлучаю-щих диодов на основе плоского излучающего слоя квантовых точек в качестве эмиттера, расположенного между электронным и дырочным органическими транспортными слоями диода. Плоский слой квантовых точек, расположенный между электронным и дырочным слоями диода (или несколько смещенный внутрь того или иного органического транспортного слоя), выполняет при этом роль активного «излучающего» элемента светоизлучающего устройства. Большинство из этих работ по созданию органических светоизлучающих диодов па квантовых точках (ОБ-ОБЕБ) было проведено с использова-

нием квантовых точек сферической формы как однородных (т. е. только с ядром без внешнего покрытия), так и композитных типа «ядро-оболочка» и ядро с двойной оболочкой (CdZnSe, CdSe/'ZnS, CdSe/'CdS, ZiiSc/'CdSc/'ZiiS и др.) [51 58]. Проводились также работы по изучению электролюминесценции гибридных светодиодов (QD-LED), созданных на основе коллоидных полупроводниковых наноструктур CdSe/'CdS в форме тетрапода [59].

В отличие от получивших широкое распространение сферических квантовых точек, а также нанокристаллов в форме тетраподов [59], в нескольких недавних работах были синтезированы полупроводниковые коллоидные квазидвумерные наноструктуры нанопластинки (CdSe, CdS, CdTe, CdSe/'CdS CdSe/'CdZnS) с поперечным размером в несколько атомных слоев и с характерным продольным размером 30 200 нм [60 64]. В силу квантового конфайн-мента положения пиков фотолюминесценции таких квазидвумерных наноструктур сильно зависят от их толщины, а время жизни флуоресценции оказывается чрезвычайно коротким из-за гигантской силы осциллятора перехода [65]. Благодаря равномерной толщине нанопластинок их спектры фотолюминесценции оказываются очень узкими, так что спектральные ширины па полу высоте (FWHM) составляют величины ДА = 5 10 нм и ДА = 20 нм при Т = 300 К [60, 62] соответственно для однокомпо-нентных нанопластинок (CdSe, CdS, CdTe) и для нанопластинок, состоящих из ядра и оболочки (например, CdSe/'CdZnS). Все эти свойства оказываются весьма привлекательными для использования созданного из таких нанопластинок плоского неорганического слоя в качестве активного «излучающего» элемента в органическом светодиоде. Это было продемонстрировано недавно в работе [66], в которой был создан светодпод на основе слоя (толщиной 30 40 нм) нанопластинок CdSe/'CdZnS, в которых ядро CdSe толщиной 1.2 нм было покрыто внешней оболочкой CdZnS толщиной 2 нм. В качестве электронного транспортного слоя диода использовался слой наночастиц ZnO толщиной 60 нм, а дырочным транспортным слоем являлись органические полупроводниковые полимеры: PVK (С = 20 30 им) или PTPD (i = 30 40 нм). Кроме того, эти новые квазидвумерные наноструктуры могут найти применение для изготовления других новых устройств: эффективных гибридных транзисторов на основе органических и неорганических структур и фотовольтаических элементов.

В данной работе был проведен синтез квазидвумерных наноструктур в виде одиокомпоиеитиых

Рис. 1. Схематическое изображение светодиода NPL-OLED, состоящего из катода (Al); стеклянной подложки с нанесенными на нее прозрачным анодом (ITO) и слоем PEDOT:PSS, из которого в активные слои инжектируются дырки; органических транспортных слоев TAZ (e-слой) и TPD (р-слой); излучающего слоя нанопластинок CdSe

нанопластинок CdSe. Получены их спектры и изучена кинетика фотолюминесценции при комнатных и криогенных температурах. При использовании таких нанопластинок в качестве плоского активного элемента (эмиттера) нами разработан новый гибридный органический светодиод, Nanoplatelet — Organic Light Emitting Diode (NPL-OLED), с длиной волны излучения Л = 515 нм. В отличие от устройства [66], созданный нами светодиод функционирует на основе однокомпонентных нанопластинок CdSe (без внешней оболочки), а не нанопластинок типа ядро/оболочка. Это может иметь определенные преимущества для создания светодиодов с чистым цветом, так как спектры фотолюминесценции однокомпонентных полупроводниковых нанопластинок оказываются существенно более узкими по сравнению с нанопластинками, построенными по типу ядро/оболочка. Кроме того, из-за отсутствия внешней оболочки барьер для инжекции носителей заряда в однокомпонентные нанопластинки CdSe оказывается ниже, чем для композитных нанопластинок CdSe/CdZnS. Поэтому можно ожидать, что в перспективе светодиоды, созданные на основе однокомпонентных нанопластинок, смогут функционировать при меньших рабочих напряжениях. Отметим также, что в созданном нами светодиоде (см. рис. 1) в качестве электронного и дырочного транспортных слоев используются чисто органические материалы: TAZ [3-(Biphenyl-4-yl)-5-(4-tert-butylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole] и TPD [N,N'-bis(3-methylphenyl)-N,

N'-bis(phenyl)-benzidine]. Это вносит определенную специфику в скорость и механизм передачи энергии экситонного возбуждения слою нанопластинок, выполняющему роль эмиттера в гибридном светодиоде.

2. СИНТЕЗ И СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КОЛЛОИДНЫХ НАНОПЛАСТИНОК

В настоящее время методы синтеза нанокристал-лов дополнились подходом к получению квазидвумерных атомно-тонких полупроводниковых наноча-стиц халькогенидов кадмия [67], представляющих собой новый класс полупроводниковых наномате-риалов. Квазидвумерные наночастицы имеют строго фиксированную толщину, кратную целому числу (3-5) монослоев (МЬ). В отличие от сферических квантовых точек, для которых спектральная ширина пол

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.

Показать целиком