Новые материалы в электронике

Физический принцип генерации светового излучения полимеров основан на явлении электролюминесценции в органических низкомолекулярных соединениях и в полимерах. Сначала появились полимеры на основе микромолекул, однако они были слишком дороги, поскольку изготавливались с помощью вакуумного напыления. Первый шаг к созданию полимерных диодов был сделан в 1989 году, когда ученым Кембриджского университета удалось синтезировать особый полимер – полифениленвинилен. Технологически светодиоды могут быть получены нанесением на подложку полимерных материалов специальным струйным принтером.

Области применения органических диодов – дисплеи малых и средних размеров, ТВ-экраны, осветительная аппаратура, солнечные батареи. Преимущества OLED перед плазменными дисплеями: меньшие габариты и масса; более низкое энергопотребление; возможность создания гибких экранов.

Главная проблема органических диодов – недостаточное время непрерывной работы. Связана она с тем, что красный и зеленый свет могут непрерывно работать на десятки тысяч часов дольше, чем синий. В результате этого искажается изображение. Но над этой проблемой постоянно работают ученые и разработчики. И сегодня время непрерывной работы синего составляет примерно 20 тыс. ч.

Жесткие требования к такой характеристике, как время непрерывной работы, не распространяются на дисплеи сотовых телефонов, фотокамер, планшетов и иных малых устройств. Для них достаточно в среднем около 5 тыс. ч, что связано с быстрым устареванием моделей аппаратуры.

Спин-диод. Новый тип органических светодиодов создан профессором физики Университета штата Юта Вали Уордни и научным сотрудником То Нгуеном. Это не просто электронное устройство, которое хранит некоторые данные, закодированные зарядами электронов, а именно спинтронное устройство, в котором спины электронов являются носителями информации.

Органический слой в новомдисплее представляет собою полимер с необычным названием "дейтерированный DOO-PPV", который излучает оранжевый цвет, а в электроде из кобальта применен сверхтонкий слой фторида лития.

Органические спиновые затворы состоят из трех слоев: органического слоя, действующего как полупроводник и располагающегося между двумя слоями – металлическими электродами-ферромагнетиками. Один из ферромагнетических металлических электродов изготовлен из кобальта, а другой – из химически сложной субстанции – лантанно-стронциевой окиси магния.

Под воздействием малого напряжения отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки проходят через органический полупроводник. Если к электронам приложить магнитное поле, спины электронов и дырок в полупроводнике можно расположить параллельно или же в противоположных направлениях.

Замена обычного водорода на дейтерий в органическом слое повысило эффективность излучения. А применение сверхтонкого слоя фторида лития на электроде из кобальта позволяет электронам проникать в спиновый затвор с одной стороны, тогда как положительно заряженные дырки попадают в затвор с другой стороны. Эта способность затвора пропускать и электроны, и дырки прямо связана с его свойством испускать видимый свет. Затвор выдерживает работу с токами большей величины и излучает свет, интенсивность которого можно регулировать с помощью магнитного поля, в то время как для других типов светодиодов необходима дополнительная электрическая энергия для увеличения интенсивности светового потока.

Еще одна особенность нового светодиода: если существующие диоды могут излучать свет только одного из трех цветов: красного, синего или зеленого (в зависимости от типа используемого полупроводника), то спиновые светодиоды способны излучать разные цвета, которые соответствуют определенным значениям магнитного поля. Ширина и длина светодиода составляют 300 мкм (что равно суммарной ширине от трех до шести человеческих волос), а высота – около 40 нм (т.е. примерно в тысячу раз тоньше волоса человека).

Однако у технологии есть один большой недостаток: спин-светодиоды работают только при температурах ниже -33°C. Другими словами, технология нуждается в усовершенствовании, чтобы диоды могли работать при комнатной температуре.

Органические светодиоды с применением нанотехнологий созданы учеными из Мичиганского университета как альтернатива лампам накаливания и дневного света.

В обычных органических светодиодах тонкие пленки органического материала под воздействием электрического тока испускают свет. При этом материал светится по всей толщине, и более 60% производимого света не попадает наружу.

В разработанном светодиоде для увеличения эффективности используется специальная двухслойная конструкция. Первый слой представляет собой решетку с нанометровыми ячейками, выполненную из органического материала. Второй слой состоит из нанолинз, каждая из них накрывает ровно одну ячейку. Линзы улавливают свет, который проходил бы внутрь материала, и отражают его.

Световая отдача представленной конструкции около 70 лм/Вт. Для сравнения, этот показатель для обычных ламп накаливания составляет около 15 лм/Вт, а для ламп дневного света – 90 лм/Вт. К преимуществам изобретения следует отнести доступность материалов, из которых оно изготавливается. Так, например, первый слой можно изготавливать из натуральных красителей. Кроме того, новые светодиоды не содержат токсичных веществ (лампы дневного света содержат ртуть). По этой технологии могут изготавливаться осветительные панели, которым можно придать любую форму.

Разработанные источники света можно использовать для освещения в дизайнерских интерьерах и наружного освещения или в гибкой органической оптоэлектронике (например, в растягивающихся органических светодиодных дисплеях или солнечных батареях). В ближайшем будущем исследователи планируют улучшить характеристики графенового анода и повысить его проводимость.

Органические светодиоды ИК-диапазона. Группа американских ученых из нескольких университетов и компании Universal Display Corporation разработали дисплей, излучающий в ИК-диапазоне. Для получения ИК-излучения используется фосфоресцирующее комплексное соединение платины с порфирином, введенным в качестве добавки в полупроводник.

В традиционных диодах при подаче напряжения электроны поступают в слой органического вещества, которое переходит в электронно-возбужденное состояние, а затем излучает свет. При этом органический компонент возвращается в исходное состояние.

До сих пор в качестве органического компонента использовали флуоресцирующие красители. Суть изобретения в том, что разработаны новые фосфоресцируюшие добавки, у которых переход в основное состояние происходит в течение более длительного периода времени. Комплекс платины с порфирином состоит из центрального атома платины, окруженного четырьмя порфириновыми кольцами, образующими единую циклическую структуры. Интересно отметить, что порфирин – это биомолекула, гетероциклическое азотсодержащее соединение, которое входит в состав гемоглобина и хлорофилла.

Светодиоды на основе металлоорганических комплексов тербия и цинка получены в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН). На проводящее стекло (сплав оксида олова и свинца) наносится слой ITO, который служит прозрачным электродом. На него в вакууме напыляется несколько органических слоев синтезированного нового вещества, например, комплексного соединения, образованного несколькими основаниями Шиффа, присоединенными к атому цинка. (Основание Шиффа (азометин) – органическое соединение, в котором азот связан с арильной или алкильной группой, но не с водородом.) Сверху на эту многослойную аморфную пленку методом термического напыления наносится металлический непрозрачный слой, служащий катодом. В результате получается конструкция, напоминающая конденсатор, – два электрода, между которыми расположено несколько органических слоев. Под напряжением такой прототип светодиода начинает излучать свет. Но задача состоит не только в том, чтобы создать более простую работающую структуру, но и в том, чтобы получить большую, чем у существующих материалов, эффективность – по набору характеристик или по отдельным параметрам.

Соединения цинка не рассматривают как материал для источников освещения, так как имеют эффективность не более 25%. Но эти соединения устойчивы термически, выдерживают большие токи и поэтому перспективны для силовой электроники.

Тербиевые материалы позволяют получить эффективность фотолюминесценции вплоть до 100% (на образцах в ФИАН получена эффективность около 95%), т.е. они отдают практически все, что поглощают, незначительно изменив длину волны. Тербиевые материалы перспективны для производства самых различных дисплеев и средств освещения. Светодиоды на металлоорганических комплексах тербия очень перспективны и в будущем могут стать следующим шагом в развитии оптоэлектроники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Несмотря на очевидные успехи новые технологии все еще существует много нерешенных проблем, в той или иной степени мешающих ее быстрой и широкой коммерциализации. И сегодня компании и исследовательские центры активно работают над получением более стабильных и более дешевых органических материалов, а также над проблемой увеличения их времени жизни или времени сохранения необходимого уровня яркости излучения органики, работающей в составе дисплеев, ТВ-экранов, осветительной техники и солнечных панелей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Майская В. Органические светодиоды. Удивительное рядом. – Электроника: НТБ, 2007, №5, с.39–46.
2. Беляев В. Международному дисплейному обществу – 50 лет. – См. наст. вып., с.98–105.
3. "Яркое" будущее светодиодной технологии. Международная выставка и конференция Lightfair International. – См. наст. вып., с.38–48.
4. Самарин А. OLED-дисплеи: от мифов к реальности. – Компоненты и технологии, 2007, вып.2.