ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия С, 2014, том 56, № 1, с. 49-61
УДК 541.64:536.7
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОЛИМЕРОВ И НЕОРГАНИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ1 © 2014 г. А. Н. Алешин
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)
197376Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5
Новым направлением в органической электронике является разработка и исследование светоизлу-чающих органических полевых транзисторов, совмещающих в себе эмиссионные свойства органических светодиодов и переключающие свойства органических полевых транзисторов. Были исследованы оптические и электронные свойства новых нанокомпозитных материалов на основе проводящих полупроводниковых полимеров и неорганических наночастиц, перспективных для применения в устройствах органической электроники. Были получены и исследованы светоизлуча-ющие органические полевые транзисторы с композитными активными слоями на основе растворимых полупроводниковых полимеров (РБО, МБЫ-РРУ) и наночастиц /пО с асимметричными электродами (А1 и Аи) для инжекции электронов и дырок в /пО и РБО, МБЫ-РРУ соответственно. Полученные данные интерпретированы с точки зрения возможности работы органических полевых транзисторов на основе композитных пленок РБО:/пО и МБЫ-РРУ:/пО как в униполярном, так и в амбиполярном режимах. Показано, что подвижность носителей заряда в светоизлучающих органических полевых транзисторах на основе РБО:/пО при 300 К достигает ~0.02 см2/Вс и ~0.03 см2/Вс для электронов и дырок, а при возрастании концентрации наночастиц увеличивается до ~2 см2/Вс, что сопоставимо с максимальными значениями подвижности для проводящих полимеров. Свето-излучающие органические полевые транзисторы на основе РБО:/пО и МБЫ-РРУ/пО излучают свет в зеленом и оранжевом диапазонах оптического спектра соответственно, при этом интенсивность электролюминесценции возрастает при увеличении как отрицательного, так и положительного смещения на стоке—истоке и затворе, а также с повышением концентрации наночастиц /пО. Полученные результаты свидетельствуют о том, что светоизлучающие органические полевые транзисторы на основе растворимых сопряженных полимеров и полупроводниковых наночастиц /пО представляют собой пример многофункциональных устройств, технология получения которых совместима с современными печатными органическими электронными технологиями.
Б01: 10.7868/82308114714010014
ВВЕДЕНИЕ
Нанокомпозитные материалы на основе проводящих полимеров и неорганических наночастиц представляют большой интерес в связи с их практическим применением в органических электронных устройствах, таких как органические светодиоды (ОСД), органические полевые транзисторы (ОПТ), солнечные элементы, ячейки памяти и т.д. [1—5]. Этот интерес основан на том, что интеграция на наноуровне органических (полимер) и неорганических (наночастицы) материалов приводит к созданию композитных
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН П-8 "Полифункциональные материалы для молекулярной электроники".
E-mail: aleshin@transport.iofre.ru (Алешин Андрей Николаевич).
структур, сочетающих в себе технологичность трехмерной (3Э) полимерной матрицы с уникальными оптическими и электрическими свойствами неорганических наночастиц (0Э квантовых точек) диаметром ~10—20 нм. При этом оба компонента работают совместно, определяя электрические и оптические свойства таких устройств. Элементы органической электроники на основе гибридных (полимер-неорганические наночастицы) материалов совместимы с технологией печатной органической электроники, которая в настоящее время является одним из наиболее перспективных направлений применения проводящих полимеров благодаря своей высокой производительности и низкой себестоимости. Нами были проведены комплексные исследования электрических и оптических свойств таких гибридных (полимер-неорганические наночасти-цы) материалов перспективных для применения
в качестве активных слоев в белых светодиодах [6—9], а также композитных светодиодных структур на основе полимеров, легированных полимерными наночастицами [10], излучающими в различных диапазонах видимого спектра. Структура молекул некоторых полупроводниковых полимеров, используемых в наших исследованиях, показана ниже:
ро1у[2-ше1Ьоху,5-(2-е1ЬуШеху1оху)-1,4-рЬепу1е-петопу1епе] - МЕИ-РРУ (Ем ~ 2.34 эВ)
ОСИ,
ро1у[9,9-Ъ*5-(2-е1:куШеху1)-9И-:1:1иогепе-2,7-Шу1] — РРО (Е ~ 2.9 эВ)
Я = СИ
Я Я
СИ3
СИ
ро1у(9-уту1еагЪа2о1е) — РУК (Ее ~ 3.6 эВ)
И2
—СИ—С2О--
N
Следует отметить, что вплоть до недавнего времени использование нанокомпозитных (полимер-неорганические наночастицы) материалов в качестве активных слоев органических полевых транзисторов оставалось недостаточно изученным вопросом в органической электронике.
Новым направлением в этой важной и быстро развивающейся области электроники являются светоизлучающие органические полевые транзисторы (СИ-ОПТ), впервые продемонстрированные в 2003 г. [11], которые совмещают в себе эмиссионные свойства ОСД с переключающими свойствами ОПТ. За последние годы различными научными группами были получены СИ-ОПТ как методом полива растворов полимеров на подложки с контактами [12, 13], так и термическим распылением низкомолекулярных материалов в вакууме [14]. В ряде работ авторами были продемонстрированы СИ-ОПТ, сформированные на поверхности органических кристаллов, а также на основе кристаллов выращеных из раствора прямо на подложке [15, 16]. Было показано, что СИ-ОПТ могут работать как в униполярном [11, 17], так и в амбиполярном [18—20] режиме; для них характерно наличие "р—п-перехода", контролируемого напряжением на затворе, при этом в
них наблюдается эмиссия света из зоны перекрытия инжектированных носителей.
Структура и принцип работы СИ-ОПТ, иллюстрирующая инжекцию электронов и дырок из истока и стока в амбиполярном режиме представлены на рис. 1. В работах различных авторов были продемонстрированы СИ-ОПТ с активным слоем, состоящим из пленок полимеров одного типа [11, 17—20], полимерных смесей [21], двух [22] или трех [23] полимерных слоев. Эффективность излучения трехслойного СИ-ОПТ оказалась сопоставимой и даже превышающей эффективность эмиссии эквивалентных ОСД [23]. Существенным ограничением при практической реализации СИ-ОПТ в высокочастотных логических схемах и других электронных устройствах является необходимость работы при достаточно высоких напряжениях на стоке, истоке и затворе, а также низкая подвижность носителей заряда в канале СИ-ОПТ [12—16, 24]. СИ-ОПТ также требуют использования в качестве инжектирующих электродов металлов с низкой работой выхода, таких как Са и Li [13, 15, 24]. Это связано с тем, что органические материалы, как правило, имеют довольно высокий уровень энергии низшей незанятой молекулярной орбитали ^иМО). Как было показано в ряде работ [13, 24], СИ-ОПТ характеризуются довольно узкой областью эмиссии света из зоны перекрытия инжектированных из контактов носителей — электронов и дырок. В связи с этим область эмиссии может сдвигаться внутри канала ОПТ в зависимости от величины и соотношения между напряжениями на истоке, стоке и затворе СИ-ОПТ [13, 15, 24].
Получение однородной эмиссии света из всего пространства канала между истоком и стоком представляет собой важную задачу для повышения эффективности излучения СИ-ОПТ. Недавно в работах [16, 25] был предложен путь решения данной проблемы с помощью приложения к затвору переменного напряжения. Это приводит к быстрому смещению положения зоны перекрытия инжектированных носителей, что позволяет наблюдать эмиссию из всего пространства канала СИ-ОПТ [26]. В работе S. ИоИа была предложена новая архитектура СИ-ОПТ, напоминающая структуру ОПТ с "плавающим затвором", где между слоями полупроводникового полимера и диэлектрика располагается слой оксида цинка ^пО) [27]. Такая геометрия СИ-ОПТ позволила получить эмиссию из всего объема канала исток— сток при довольно малых напряжениях (от —10 В до +10 В). В указанной работе, как и в большинстве работ других авторов, структура СИ-ОПТ состояла из одного или нескольких слоев различных (органических или неорганических) материалов.
До начала наших исследований в литературе не было информации относительно СИ-ОПТ на
3
п
PFO(MEH-PPV): ZnO nanoparticles OO
Au ООО Al
SiO2
и-doped Si
(б)
Light emission
Hole injector
Electron injector
Рис. 1. Структура (а) и принцип работы (б) СИ-ОПТ.
основе нанокомпозитных материалов, включающих полупроводниковые полимеры и неорганические наночастицы. По нашему мнению, композитные активные слои СИ-ОПТ также могут быть эффективной средой для обеспечения однородной эмиссии света из всего канала сток-исток. До недавнего времени ряд вопросов, связанных с введением в полимерную матрицу неорганических полупроводниковых наночастиц и их влиянием на величину подвижности носителей заряда, рабочие напряжения, а также интенсивность эмиссии в композитных СИ-ОПТ не были исследованы достаточно подробно.
СИ-ОПТ с композитными активными слоями на основе растворимых полимеров РБО и МЕН-РРУ и полупроводниковых наночастиц ZnO были продемонстрированы в наших недавних работах [28-30].
Целью настоящей работы является обзор и сравнение полученных нами результатов для композитных СИ-ОПТ на основе различных полимеров и наночастиц ZnO с эксперимен-
тальными данными других авторов, касающимися СИ-ОПТна основе иных органических материалов. В качестве полимерной матрицы СИ-ОПТ были выбраны следующие сопряженные полимеры: РБО — перспективный стабильный полимер для активных слоев зеленых ОСД, а также МЕН-РРУ — полимер, широко используемый в исследованиях в области полимерной оптоэлектроники в качестве активных слоев оранжевых ОСД. Структура молекул этих полимеров приведена выше. В качестве неорганической компоненты были выбраны наночастицы ZnO — нетоксичного, прозрачного неорганического полупроводника с высокой подвижностью носител
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.