Введение к работе
Актуальность темы
Повышение сроков службы и энергоэффективности дисплейных и осветительных систем является одной из актуальных задач современной электроники. Мировой рынок дисплеев на сегодняшний день представлен жидкокристаллическими дисплеями (LCD) и дисплеями на основе органических светодиодов (OLED), однако обе эти технологии имеют целый ряд недостатков, среди которых основными являются низкая деградационная устойчивость материалов и сложность технологии изготовления готовых устройств. Одним из способов решения этих задач является использование инновационных композитных материалов на основе нано- и микрочастиц, в том числе люминофоров, имеющих как органическую, так и неорганическую природу. Это обусловлено широкими возможностями применения данных композитов в электронике, в первую очередь для создания систем отображения информации и осветительных систем, а также диодных и транзисторных структур, применяемых для целей управления режимами работы дисплеев.
Вопросы создания композитных материалов и органических люминофоров для светоизлучающих и светопреобразующих устройств освещены в работах Калиновской И.В., Якиманского А.В., Кое-Сулиана С. В частности, в работах Калиновской И.В. предложены композиты на основе полиэтилена высокого давления с включениями микрочастиц органических люминофоров на основе европия для применения в светопреобразующих системах и системах отображения информации. В работах группы Якиманского А.В. и Александровой Д.И. описываются полимерные и мономерные люминофоры, обладающие высокими интенсивностями люминесценции. В работах Кое-Сулиана С. описывается включение квантовых точек CdSe в полимерный матрикс органического светодиода. Вместе с тем предлагаемые материалы имеют низкую устойчивость к агрегации и деградации, и, как следствие, формирование структур на их основе технически достаточно трудоемко.
Низкая устойчивость к агрегации, в частности, не позволяет создавать наночастицы люминесцентных материалов органической природы, что затрудняет формирование нанокомпозитов, их содержащих. Необходимость применения сложных процессов нанесения композитов и люминофоров с использованием вакуумных технологий делает приборы дорогостоящими. Низкая деградационная устойчивость материалов не позволяет создавать долгоживущие, светоизлучающие и светопреобразующие структуры и приборы на их основе.
Таким образом, на основе вышеизложенного можно сформулировать основную цель данного исследования: разработка технологии формирования композитных материалов на основе нано- и микрочастиц люминофоров для дисплейных и осветительных систем, обладающих необходимым разрешением, низким энергопотреблением и длительными сроками службы.
Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:
Создание композитных материалов на основе полимерного матрикса, содержащего микрочастицы люминофоров, изучение распределения частиц люминофора в матриксе, а также влияния матрикса на цветопередачу и деградационную стойкость композитов.
Формирование слоистых структур на основе композитов, содержащих три-8-оксихинолин алюминия (Alq3) в полимерном матриксе методом полива и центрифугирования, изучение их электрофизических свойств.
Разработка методики формирования структур «ядро – оболочка», в которых в качестве «ядра» использованы микрочастицы органических люминофоров, а «оболочка» представлена полиэтиленимином и поли(стиролсульфонатом) натрия. Изучение процессов электрофоретического осаждения полученных структур.
Объекты исследования:
Светопреобразующие покрытия на основе поливинилхлорида (ПВХ), поликарбоната (ПК), полиметилметакрилата (ПММА), содержащие мелкодисперсные образования изохинолин-1-карбоксилата европия с натрием (NaEu(isoquin)4) и три-8-гидроксихинолината алюминия (Alq3).
Диодные структуры, состоящие из индий-оловянного оксида (ITO), органического покрытия, включающего поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), поли(9-винилкарбазол) (PVK), допированный Alq3, а также композитных контактов на основе алюминия, кальция и Alq3, сформированных методом полива и центрифугирования со следующей последовательностью слоев: ITO/PEDOT:PSS/PVK:Alq3/контакт.
Структуры «ядро – оболочка» на основе микрочастиц NaEu(isoquin)4 и Alq3, выступающих в качестве «ядра» и обладающих люминесцентными свойствами, а также полиэлектролитов, образующих «оболочку».
Методы исследования: спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), конфокальная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (AСM), измерение вольт-амперных характеристик на постоянном токе.
Научная новизна полученных результатов:
-
Предложена схема дисплея, пиксел которого состоит из трех ультрафиолетовых светодиодов, каждый из которых возбуждает свой люминофор в светопреобразующем композите. Таким образом, достигается значительное увеличение разрешающей способности экрана и повышается его энергоэффективность, КПД преобразования излучения.
-
Разработана методика формирования композитных покрытий, отличающаяся тем, что в полимерные матрицы (ПВХ, ПК, ПММА) включаются нано- и микроразмерные агрегаты люминофоров органической (Alq3 и NaEu(isoquin)4) и неорганической природы на основе селенида кадмия (ФК-7, ФК-2), обладающих селективной фото- и катодолюминесценцией, а также устойчивых к фотодеградации при лазерном и УФ излучении.
-
Создана система подсветки растений на основе композитного светопреобразующего материала и светодиодного модуля возбуждения, обладающая энергопотреблением, меньшим на 25 % относительно аналогов, и большим сроком службы.
-
Подобраны и внедрены составы и технологические режимы нанесения покрытий PVK:Alq3, PEDOT:PSS методом полива и центрифугирования. Путем измерения электрофизических характеристик сэндвич-структур на основе исследуемых покрытий определен оптимальный материал контакта для формирования структур ITO/PEDOT:PSS/PVK:Alq3/проводящее покрытие. Изучено влияние допанта на электропроводность и оптические свойства слоя PVK:Alq3.
-
Разработана методика формирования структур «ядро – оболочка» на основе суспензий Alq3 и NaEu(isoquin)4 поверхность которых была модифицирована полимерными молекулами, обладающих люминесцентными свойствами, а также показана возможность их электрофоретического осаждения на алюминиевый электрод при постоянном токе, что позволяет переносить субмикронные функциональные элементы (диспергированные в воде) на металлические контакты с целью формирования различных электронных приборов и устройств.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Схема пикселя на основе нового светопреобразующего композитного материала и светодиодного модуля, позволяющая повысить разрешение за счет уменьшения числа структурных элементов пиксела.
-
Люминесцентный композитный материал, обладающий деградационной стойкостью к оптическому излучению, а также спектром люминесценции, близким к спектру поглощения хлорофилла.
-
Режим формирования многослойных структур на основе сопряженных полимеров и органических люминесцентных материалов, позволяющий создавать электропроводящие покрытия толщиной порядка
100-130 нм, и изготовленный ряд многослойных структур, содержащих трис(8-гидроксихинолин) алюминия, обладающих асимметричной ВАХ, которые могут быть использованы при формировании активных матриц дисплеев. -
Методика формирования композитных люминесцентных покрытий на основе микрочастиц («ядро») трис(8-гидроксихинолина) алюминия с наноразмерной полиэлектролитной «оболочкой», путем электрофоретического осаждения, и получена зависимость массопереноса структур «ядро – оболочка» от напряженности электрического поля.
Практическая значимость работы
Композитные покрытия на основе полимерной матрицы с включенными мелкодисперсными образованиями люминофоров Alq3 и NaEu(isoquin)4 использованы для формирования устойчивых к деградации гибридных светоизлучающих устройств с продолжительным сроком службы и высокой разрешающей способностью, основанных на принципе переизлучения света.
Полученные структуры «ядро – оболочка», обладающие фото-, электро- и катодолюминесцентными свойствами, предназначены для применения в электронике в качестве функциональных элементов, самостоятельных пикселей или систем преобразования света в зависимости от материалов «ядра» и «оболочки».
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоял в разработке новой конструкции пиксела светоизлучающего дисплея, создании композитных материалов и методик их формирования и нанесения, связанных с получением покрытий, созданием структур и разработкой методики создания структур «ядро – оболочка», исследованием их оптических, электрофизических свойств, морфологии поверхности, анализе полученных результатов и подготовке публикаций.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях: International symposium «Advanced Display Technologies» (ADT`06), Москва 2006 (устный доклад), International symposium «Advanced Display Technologies» (ADT`10), Санкт-Петербург, 2010 (устный доклад, стендовый доклад), International conference for young researchers «Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems», Санкт-Петербург, 2006 (устный доклад), International conference for young researchers «Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems», Санкт-Петербург, 2008 (устный доклад), International school for junior scientists and students on optics, laser physics and biophotonics (SFM`06), Саратов, 2006 (устный доклад), Всероссийская конференция «Наноэлектроника и нанофотоника», Саратов, 2010 (устный доклад), Саратовский областной конкурс инновационных идей, Саратов, 2010 (диплом третьей степени), Форум «Российским инновациям Российский капитал», Оренбург 2011, 23-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Крым, 2013.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 1 статья в зарубежном издании и 10 тезисов докладов.
