Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn (Q-LED)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:61

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cấu trúc luận văn gồm phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1 - Trình bày một cách tổng quan về cấu trúc và nguyên lí hoạt động của LED, OLED và Q-LED; Chương 2 - Giới thiệu các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước, hình dạng, phân tích cấu trúc cũng như tính chất quang của các Q-LED chế tạo; Chương 3 - Trình bày thực nghiệm chế tạo nghiên cứu Q-LED. Kết quả và thảo luận. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn (Q-LED)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH QUANG CHÍNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DIODE PHÁT QUANG SỬ DỤNG CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN (Q-LED) LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC ĐINH QUANG CHÍNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DIODE PHÁT QUANG SỬ DỤNG CHẤM LƯỢNG TỬ BÁN DẪN (Q-LED) Ngành: Quang học Mã số: 8440110 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. TS. TRẦN THỊ KIM CHI 2. TS. NGUYỄN XUÂN CA THÁI NGUYÊN - 2020
i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép em được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Trần Thị Kim Chi và TS. Nguyễn Xuân Ca là người đã trực tiếp hướng dẫn khoa học, chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện tốt nhất giúp em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Xin được cảm ơn sự tạo điều kiện về thiết bị, phòng thí nghiệm của Phòng Hiển vi điện tử, Phòng Thí nghiệm Trọng điểm - Viện Khoa học vật liệu. Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Khoa Vật lí - Trường Đại học Khoa học Thái Nguyên đã dạy dỗ và trang bị cho e những tri thức khoa học và tạo điều kiện học tập thuận lợi cho em trong suốt thời gian qua. Cuối cùng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và tình yêu thương tới gia đình và bạn bè - nguồn động viên quan trọng nhất về mặt tinh thần cũng như vật chất giúp tôi có điều kiện học và nghiên cứu khoa học như ngày hôm nay. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 24 tháng 11 năm 2020 Học viên Đinh Quang Chính
ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i MỤC LỤC ......................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. iv DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED .... 4 1.1. Sự phát triển của chiếu sáng....................................................................... 4 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED ................................................. 6 1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED. ............................................. 8 1.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Q-LED ........................................... 12 1.5. Tình hình nghiên cứu Q-LED .................................................................. 14 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 14 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 16 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ........................... 18 2.1. Phương pháp chế tạo ................................................................................ 18 2.1.1. Phương pháp quay phủ ly tâm (Spin Coating) ...................................... 18 2.1.2. Phương pháp bốc bay nhiệt ................................................................... 19 2.1.3. Phương pháp hóa học chế tạo chấm lượng tử ....................................... 21 2.1.4. Phương pháp phún xạ ............................................................................ 22 2.2. Phương pháp phân tích ............................................................................. 23 2.2.1. Ảnh vi hình thái AFM ........................................................................... 23 2.2.2. Phép đo tính chất điện ........................................................................... 24 2.2.3. Phép đo tính chất quang ........................................................................ 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 30 3.1. Điện cực ................................................................................................... 30
iii 3.1.1. Điện cực dương (Anốt): ........................................................................ 31 3.1.2. Điện cực âm (Catốt) .............................................................................. 32 3.2. Các lớp trong Q-LED ............................................................................... 33 3.2.1. Lớp tiêm lỗ trống................................................................................... 33 3.2.2. Lớp truyền lỗ trống ............................................................................... 37 3.2.3. Lớp phát quang...................................................................................... 39 3.2.4. Lớp truyền điện tử ................................................................................. 45 3.3. Hoàn thiện qui trình nghiên cứu chế tạo Q-LED qui mô phòng thí nghiệm.... 46 KẾT LUẬN .................................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 50
iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT GaAs Gali Arsenua Alq3 Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminium EL Emission Layer (Lớp phát quang) ETL Electron Transport Layer (Lớp truyền điện tử) HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (Qũy đạo phân tử điền đầy cao nhất) HTL Hole Transport Layer (Lớp truyền lỗ trống) LED Light Emitting Diode (Diode phát quang) LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (Quỹ đạo phân tử chưa điền đầy thấp nhất) OLED Organic Light Emitting Diode (Diode phát quang hữu cơ) PEDOT Polyethylenedioxythiophene PEDOT:PSS Poly(3,4- ethylenedioxythiophene):(poly(styrenesulfonate) PLED Polymer Light Emitting Diode (Diode phát quang polymer) PVK PolyVinyl Karbazone QLED Quantum dots Light Emitting Diode (Diode phát quang chấm lượng tử) SSL Solid State Lighting TPD N, N’-diphenyl-N, N’-bis(3-methyl phenyl)-1,1’biphenyl- 4,4’-diamine
v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Cấu trúc dự kiến của Q-LED .......................................................... 30 Bảng 3.2: Kết quả đo độ dày của các mẫu với tốc độ quay 5000 rms ............ 35 Bảng 3.3: Kết quả độ dày của các mẫu với tốc độ 2000 rms .......................... 37 Bảng 3.4: Điện trở mặt sau khi phủ poly TPD................................................ 39
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Lịch sử đèn chiếu sáng ..................................................................... 5 Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của LED . ........................................................ 8 Hình 1.3. Cấu tạo của OLED ......................................................................... 10 Hình 1.4. Cấu tạo và mức năng lượng của các lớp trong Q-LED................... 13 Hình 1.5. Nguyên lý hoạt động của Q-LED ................................................... 13 Hình 2.1. Cấu tạo của máy Spin coating ......................................................... 18 Hình 2.2. Các giai đoạn của phương pháp quay phủ. ..................................... 19 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hệ bốc bay nhiệt .................................................. 20 Hình 2.4. Sơ đồ chế tạo chấm lượng tử CdSe . ............................................... 21 Hình 2.5. Nguyên lý của quá trình phún xạ. ................................................... 22 Hình 2.6. Mô phỏng kính hiển vi lực nguyên tử ............................................ 24 Hình 2.7. Sơ đồ đo bốn mũi dò ....................................................................... 25 Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ đo huỳnh quang ................................................. 26 Hình 2.9. Hệ đo phổ huỳnh quang phân giải cao ........................................... 28 Hình 2.10. Máy quang phổ hấp thụ một chùm tia ......................................... 28 Hình 2.11. Máy quang phổ hấp thụ hai chùm tia ............................................ 29 Hình 3.1. Tiếp giáp giữa lớp anốt và lớp phun lỗ trống ................................. 31 Hình 3.2. Ảnh AFM của đế ITO ..................................................................... 32 Hình 3.3. Ảnh AFM của các nồng độ ở 5000 rms .......................................... 33 Hình 3.4. Độ dày màng của mẫu 2mg/ml ....................................................... 34 Hình 3.5. Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml ................................................... 34 Hình 3.6. Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml ...................................................... 34 Hình 3.7. Độ dày màng của mẫu 5mg/ml ....................................................... 35 Hình 3.8. Ảnh AFM với các nồng độ khác nhau ở 2000 rms ......................... 36 Hình 3.9. Độ dày màng của mẫu 2mg/ml ....................................................... 36 Hình 3.10. Độ dày màng của mẫu 2,5 mg/ml ................................................. 36
vii Hình 3.11. Độ dày màng của mẫu 4 mg/ml .................................................... 37 Hình 3.12. Độ dày màng của mẫu 5 mg/ml .................................................... 37 Hình 3.13. Giản đồ năng lượng anode - HIL - HTL ....................................... 38 Hình 3.14. Độ dày của màng poly TPD .......................................................... 39 Hình 3.15. Chế tạo TeO2 (khí màu nâu bốc lên .............................................. 40 Hình 3.16. Giản đồ nhiễu xạ tia X của TeO2 sau khi chế tạo ......................... 40 Hình 3.17. Tạo phức Cd2+/MSA ..................................................................... 41 Hình 3.18. Tạo mầm vi tinh thể CdTe ............................................................ 41 Hình 3.19. Dung dịch CdTe ở các điều kiện khác nhau ................................. 42 Hình 3.20. Phổ hấp thụ và huỳnh quang của CdTe QDs ................................ 43 Hình 3.21: Ảnh huỳnh quang trước khi phủ CdTe ......................................... 43 Hình 3.22: Ảnh huỳnh quang sau khi phủ CdTe ............................................ 43 Hình 3.23. Phổ huỳnh quang của chấm lượng tử CdTe theo các lớp ............. 44 Hình 3.24. Giản đồ năng lượng ETL - cathode............................................... 45 Hình 3.25. Kết quả đo độ dày màng Alq3 ...................................................... 46 Hình 3.26. Ảnh QLED trong phòng thí nghiệm ............................................. 46 Hình 3.27. Phổ phát xạ điện tử của mẫu Diode phát quang CdTe .................. 47 Hình 3.28. Đường đặc trưng V-A của Diode phát quang sử dụng chấm lượng tử CdTe ................................................................................................. 47
1 MỞ ĐẦU Hiện nay Khoa học và Công nghệ nano đang là hướng nghiên cứu được nhiều quốc gia quan tâm. Các sản phẩm mà Công nghệ nano đã và đang tạo ra có rất nhiều tính năng mới và ứng dụng hữu ích cho đời sống xã hội, y tế, dân sinh và an ninh quốc phòng. Ở nước ta lĩnh vực Khoa học và Công nghệ nano tuy mới được đầu tư nghiên cứu và triển khai nhưng đã đạt được nhiều kết quả khả quan, nhất là tại các trường đại học, các viện nghiên cứu. Năng lượng được xem là vấn đề cốt yếu trong tiến trình phát triển xã hội mà nhân loại phải đối mặt trong thế kỷ XXI này. Những năm gần đây, do nhu cầu năng lượng lớn cho phát triển kinh tế - xã hội của tất cả các quốc gia, khủng hoảng năng lượng toàn cầu ngày càng trở nên trầm trọng. Hiện nay, nhu cầu năng lượng của nước ta là rất lớn, trong đó chiếu sáng chiếm tới 30% tổng điện năng. Tuy nhiên, sản lượng điện của các nhà máy không đáp ứng kịp so với nhu cầu sử dụng. Một trong những vấn đề lớn đặt ra cho khoa học kỹ thuật là các dụng cụ thiết bị điện tử phải tốn ít năng lượng “đầu vào” nhưng phải có hiệu quả “đầu ra” ngày càng cao (hiệu suất tăng, kích thước nhỏ…) để phục vụ hiệu quả cho nhu cầu ngày càng tăng mà vẫn đảm bảo an toàn năng lượng toàn cầu. Trong bối cảnh đó, dụng cụ thiết bị phát sáng, hiển thị không là một ngoại lệ. Có thể nói lịch sử phát triển của ánh sáng là quá trình loài người tìm tòi, phát triển những nguồn sáng mới hiệu quả hơn, phù hợp với con người hơn. Trước thế kỷ XIX, ba công nghệ chiếu sáng truyền thống của con người là: cháy sáng, chiếu sáng bằng bóng đèn dây tóc và đèn phóng điện huỳnh quang. Ba công nghệ truyền thống đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong hơn 200 năm qua nhưng hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong chiếu sáng chỉ đạt từ 1% đến tối đa 25%. Sang cuối thế kỷ XX, công nghệ chiếu sáng thứ tư ra đời đó là chiếu sáng trạng thái rắn (Solid State Lighting - SSL). SSL là thể loại ánh sáng nhân tạo phát ra từ các linh kiện phát quang làm từ diode phát
2 quang bán dẫn vô cơ (LED), hữu cơ (OLED), polymer (PLED) hay chấm lượng tử (Q-LED). Chiếu sáng thể rắn hiện đang là hướng quan tâm nghiên cứu của thế giới. Việc phát triển các nguồn sáng thể rắn tại Việt Nam là rất cần thiết, góp phần giảm thiểu điện năng tiêu thụ và nhiên liệu hóa thạch. Việc nghiên cứu đề tài sẽ góp phần phát triển công nghệ chiếu sáng tại Việt Nam. Các chấm lượng tử (QD) bán dẫn được quan tâm đặc biệt do các ưu điểm của chúng mà bán dẫn khối không có được. Chấm lượng tử có ưu điểm là có thể thay đổi màu sắc đơn giản bằng cách thay đổi kích thước. Chính vì vậy, đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn (Q-LED)” được lựa chọn với mục tiêu nghiên cứu đặc điểm, tính chất của các lớp cấu tạo nên Q-LED.  Mục đích nghiên cứu - Xây dựng công nghệ chế tạo diode phát quang sử dụng chấm lượng tử bán dẫn.  Phương pháp chế tạo và phân tích - Phương pháp chế tạo: + Tạo màng phát quang, lớp truyền dẫn điện tử/lỗ trống bằng phương pháp quay phủ ly tâm (spin coating). + Tạo điện cực bằng phương pháp bốc bay nhiệt (Thermal evaporation). + Tạo điện cực bằng phương pháp phún xạ. + Chế tạo chấm lượng tử bằng phương pháp hóa học. - Phương pháp phân tích: + Xác định vi hình thái bề mặt, độ gồ ghề của bề mặt bằng kính hiển vi lực nguyên tử. + Xác định độ dẫn bằng phép đo tính chất điện. + Xác định phổ phát quang/phổ hấp thụ của vật liệu chấm lượng tử chế tạo được bằng phương pháp phổ huỳnh quang và phổ hấp thụ.
3  Cấu trúc luận văn Luận văn gồm 52 trang (bao gồm phần tài liệu tham khảo). Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1. Trình bày một cách tổng quan về cấu trúc và nguyên lí hoạt động của LED, OLED và Q-LED. Chương 2. Giới thiệu các phương pháp dùng để nghiên cứu kích thước, hình dạng, phân tích cấu trúc cũng như tính chất quang của các Q-LED chế tạo. Chương 3. Trình bày thực nghiệm chế tạo nghiên cứu Q-LED. Kết quả và thảo luận. Trình bày các quy trình, kết quả thực nghiệm về chế tạo Q-LED. Các thông số đặc trưng về cấu trúc các lớp chế tạo như: hình dạng và kích thước được nghiên cứu thông qua ảnh AFM . Các tính chất quang thông qua phổ hấp thụ và phổ huỳnh quang.
4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Q-LED 1.1. Sự phát triển của chiếu sáng Ánh sáng là một phần không thể tách rời cuộc sống hàng ngày của loài người. Thời sơ khai khi loài người biết sử dụng được ánh sáng nhờ lửa qua củi khô, sau đó họ làm ra nến, đến khi họ biết sử dụng dầu và lửa để chiếu sáng thì đây là đèn chiếu sáng sử dụng chính. Sau khi đốt đèn dầu một thời gian thì các nhà nghiên cứu cũng chế tạo ra loại đèn khí. Những chiếc đèn điện đầu tiên của loài người xuất hiện từ đầu những năm 40 của thế kỷ 19. Ý tưởng chiếu sáng bằng điện ra đời trên cơ sở phát hiện ra hồ quang điện của Pê trốp (người Nga), và hiện tượng nung đỏ dây dẫn bằng dòng điện của Davy (người Anh), đều vào năm 1802. Những chiếc đèn điện đầu tiên được con người sử dụng trong thực tế là đèn hồ quang, ra đời vào 1844 và do Dzan Bernar Fucô (người Pháp) sáng chế. Trong đó ông đã dùng điện cực than quay thay cho điện cực than tĩnh, và nhờ đó kéo dài được thời gian duy trì của hồ quang đến mức có ý nghĩa thực tế. Tuy nhiên đèn hồ quang lại có quang thông lớn, thời gian duy trì ánh sáng ngắn và dễ gây hỏa hoạn vì không gian hở. Sau này sự phát minh ra đèn sợi đốt của Edison đã mở ra trang sử mới của nhân loại. Kể từ đó, con người đã phát minh ra đèn huỳnh quang, đèn huỳnh quang compact, là những sản phẩm tuyệt vời trong lĩnh vực chiếu sáng, không chỉ có chất lượng tốt hơn mà còn tiết kiệm rất nhiều chi phí trong sản xuất. Nhưng không dừng lại ở đó, tiến theo cuộc cách mạng khoa học loài người, chúng ta lại đang chuyển mình trong cuộc cách mạng, chuyển hoàn toàn từ chiếu sáng phóng khí sang chiếu sáng rắn, gọi tắt là cuộc cách mạng chiếu sáng LED. Hình 1 là hình ảnh mô tả lịch sử chiếu sáng. LED được coi là bước nhảy vọt lớn trong công nghệ, từ analog sang kỹ thuật số. LED là ánh sáng kỹ thuật số, và những ưu điểm so với ánh sáng
5 'analog' thông thường rất lớn và mang lại lợi ích lớn cho cả người sử dụng "công nghệ ánh sáng số" này cũng như cho hành tinh. Thời gian sử dụng lâu dài là lợi ích nổi bật của đèn LED. Bóng đèn LED có tuổi thọ hoạt động xuất sắc đôi khi lên tới 100.000 giờ. Hình 1.1. Lịch sử đèn chiếu sáng [11] LED là cách chiếu sáng hiệu quả nhất ngày nay, với hiệu suất năng lượng ước tính khoảng 80% -90% so với ánh sáng truyền thống và bóng đèn thông thường. Điều này có nghĩa là khoảng 80% năng lượng điện được chuyển đổi thành ánh sáng, trong khi đó chỉ 20% bị mất và biến thành các dạng năng lượng khác như nhiệt. Với bóng đèn sợi đốt truyền thống thì ngược lại, chỉ 20% năng lượng chuyển đổi thành ánh sang còn 80% điện bị mất đi dưới dạng nhiệt. Đèn LED không có hóa chất độc hại trong khi hầu hết các bóng đèn huỳnh quang thông thường đều có chứa vô số các vật liệu như thủy ngân nguy hiểm cho môi trường. Các tính năng chiếu sáng bằng đèn LED không có phát xạ tia cực tím. Đèn LED chiếu sáng tạo ra ít ánh sáng hồng ngoại và không có tia UV. Do đó, ánh sáng LED cường độ cao phù hợp không chỉ cho hàng hoá và vật liệu nhạy cảm với nhiệt (do LED phát ra nhiệt ít bức xạ), mà còn để chiếu sáng trong môi trường có các vật hoặc vật liệu nhạy cảm UV như trong viện bảo tàng, phòng trưng bày nghệ thuật, các khu
6 khảo cổ…LED có thể hoạt động tốt trong môi trường ngoài trời, cực lạnh hoặc cực nóng. Đối với đèn huỳnh quang, nhiệt độ thấp có thể ảnh hưởng đến hoạt động và gây ra hỏng hóc nhưng đèn LED thì ngược lại. LED được thiết kế để tập trung ánh sáng của nó và có thể được hướng đến một vị trí cụ thể mà không cần sử dụng một gương phản chiếu bên ngoài, đạt được hiệu quả ứng dụng cao hơn so với ánh sáng thông thường. Các hệ thống chiếu sáng LED được thiết kế tốt có thể mang lại hiệu quả hơn vào đúng vị trí mong muốn. Đèn LED tạo ra ánh sáng theo một cách riêng biệt so với các loại đèn khác, hiệu quả chiếu sáng lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang compact và đèn sợi đốt. Tuy vậy, đèn LED chiếu sáng lại tốn ít năng lượng hơn, không chứa các chất độc hại như chì, thủy ngân. Ngoài ra, LED còn dễ dàng tích hợp được công nghệ điện tử điều khiển có thể thỏa mãn mọi yêu cầu trong quản lý vận hành hệ thống chiếu sáng. Với những ưu điểm vượt trội như vậy LED đã được tạo ra và đi vào cuộc sống. Từ việc chiếu sáng trong gia đình đến những công ty, nhà máy, chiếu sáng đường đi lại, đèn giao thông rồi đến những thiết bị hiện đại như điện thoại, TV công nghệ mới, có thể nói LED đang góp phần thay đổi thế giới và đó sẽ là nguồn ánh sáng chính của tương lai. 1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LED LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các diode có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Diode là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó mà không theo chiều ngược lại. Cách tạo ra ánh sáng của LED là sự gặp nhau của các electron trong môi trường chất bán dẫn dựa trên nguyên lý điện phát quang. Được biết tới những năm đầu của thế kỷ XX, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những điốt phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn, cho hiệu quả chiếu sáng
7 cao. LED là một lớp chuyển tiếp p - n được chế tạo trên bán dẫn có vùng cấm thẳng với cấu trúc p - n tiếp giáp đơn hay dị thể. Khi phân cực thuận LED phát ra ánh sáng. Cấu trúc thực của LED được làm từ vật liệu bán dẫn loại n thường là GaAs hoặc GaAs1-xPx, sau đó pha tạp chất tạo một lớp p trên bán dẫn loại n này sẽ thu được một lớp chuyển tiếp dị chất. LED hoạt động từ vùng tử ngoại gần đến vùng hồng ngoại gần. Trong vùng hồng ngoại gần, nhiều chất bán dẫn 2 thành phần được sử dụng để làm LED vì có hiệu suất cao do vùng cấm thẳng, ví dụ như GaAs (αg=0,87 μm), GaSb (1,7 μm), InP (0,92 μm), InAs (3,5 μm), InSb (7,3 μm). Các hợp chất 3 hay bốn thành phần có vùng cấm thẳng cũng được sử dụng rộng rãi. Mặc dù hiệu suất lượng tử của nó còn thấp, nhưng các vật liệu này có ưu điểm là có thể điều chỉnh được bước sóng bức xạ của chúng bằng cách thay đổi thành phần, ví dụ như AlxGa1-xAs phát quang trong dải sóng từ 0,75 đến 0,87μm và In1-xGaxAs1-yPy phát từ 1,1 đến 1,6 μm. Để hoạt động trong vùng tử ngoại và khả kiến, một số vật liệu có vùng cấm nghiêng cũng được dùng như GaN, GaP, GaAs1-x. Những vật liệu này thường được pha tạp với một số nguyên tử tạp chất thích hợp, chúng đóng vai trò là những tâm tái hợp để làm tăng tái hợp bức xạ. Hoạt động của LED dựa trên công nghệ bán dẫn. Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn và sự chênh lệch năng lượng này được phát xạ thành những dạng ánh sáng khác nhau. Màu sắc của đèn LED phát ra phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và đặc trưng bước sóng của ánh sáng được phát ra. Nguyên lý hoạt động của LED được mô tả trên hình 2. Giống như những điốt thông thường, đèn LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại p và loại n ghép với nhau. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do, mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn loại n chứa các điện tử tự do thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là
8 khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của LED [9]. Ưu điểm của LED là kết cấu gọn nhẹ, bền, tiết kiệm năng lượng, linh hoạt, tính thẩm mỹ cao, sản phẩm đa dạng, phong phú và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau: quảng cáo, trang trí, chiếu sáng nội thất, chiếu sáng nền thiết bị hiển thị. Tuy nhiên, vật liệu làm LED thường có chiết suất cao và LED thường không bền với thế phân cực ngược và nhiệt độ cao. 1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của OLED. Oled là viết tắt của “Organic Light-Emitting Diode” tức là “Diode phát quang hữu cơ”. Công nghệ Oled sử dụng các tấm vật liệu làm từ hợp chất hữu cơ, và các điểm trên tấm nền này sẽ tự động phát sáng khi có dòng điện chạy qua, mang lại khả năng tái tạo hình ảnh rõ nét với độ sáng cao. Tuy nhiên, những điểm này sẽ tự động tắt khi không cần sử dụng nên công nghệ này giúp tiết kiệm điện năng rất đáng kể.
9 Vật liệu phát quang hữu cơ được bắt đầu nghiên cứu vào thập kỷ 70 khi các nhà nghiên cứu tìm ra độ dẫn của các hệ vật liệu polymer có thể thay đổi từ chất điện môi thành “kim loại” bằng cách pha tạp hoá học. Polymer dẫn điện đầu tiên - polyacetylen - được chế tạo bởi Shirakawa. Bước đột phá trong nghiên cứu về polymer, khi các khám phá tiếp theo do Heeger và MacDiarmid chỉ ra rằng polymer tăng độ dẫn lên gấp 12 lần bằng cách pha tạp oxy hóa. Kết quả này đã khiến các nhà khoa học trên cả thế giới quan tâm đến các vật liệu này. Việc phát triển các màng mỏng có khả năng phát quang khi được đặt vào nó một điện áp thuận (hiện tượng điện phát quang hữu cơ) được bắt đầu vào những năm 1980 thông qua các công trình của Tang và Van Slike, họ đã chứng minh được quá trình điện phát quang của các polymer bán dẫn bằng cách chế tạo linh kiện diode phát quang hữu cơ hai lớp thông qua phương pháp bốc bay các vật liệu “phân tử” ở nhiệt độ thấp trong chân không. Các linh kiện này bao gồm một lớp truyền lỗ trống diamine nhân thơm và lớp phát quang Alq3 (8-hydroxyquinoline aluminium). Các sản phẩm thương mại đầu tiên dựa trên các diode phát quang hữu cơ đã được thương mại hoá vào cuối thế kỷ thứ 19. Tương tự như một diode phát quang vô cơ (LED), một diode phát quang hữu cơ (OLED) là một linh kiện bán dẫn thể rắn có độ dày vài trăm nanomet (bao gồm nhiều lớp màng mỏng khác nhau). OLED có thể bao gồm 3 lớp cơ bản đó là 2 lớp điện cực và 1 lớp hoạt động (lớp polymer). Để cải thiện hiệu suất của OLED, thường có thêm các lớp truyền điện tử (electron transport layer - ETL) và truyền lỗ trống (hole transport layer - HTL) kẹp hai bên lớp điện phát quang (Electroluminescence layer - EL). Chức năng của anode là cung cấp các lỗ trống điện tích dương và vật liệu trong suốt dẫn điện thường sử dụng làm anode là ITO. Điện cực cathode cung cấp điện tử cho lớp hữu cơ. Các hạt tải electron và lỗ trống được phun vào lớp hữu cơ phát quang mỏng, ở trong đó chúng sẽ hình thành các exciton. Quá trình phát sáng trong
10 OLED dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từ các điện cực vào tổ hợp các lớp hữu cơ. Kết quả cuối cùng là chúng tự kết hợp để hình thành các exciton và có thể tái hợp phát sáng. Hình 3 trình bày cấu tạo của 1 OLED thông thường với các lớp chi tiết như sau: Hình 1.3. Cấu tạo của OLED [3]. Tấm đế (substrate): là các tấm nhựa trong suốt hay thủy tinh, trên đó người ta tạo lớp anode mỏng trong suốt. Tấm nền có tác dụng đỡ cho toàn bộ các lớp của OLED. Anode (trong suốt): anode tạo ra các lỗ trống mang điện dương khi có một dòng điện chạy qua linh kiện. Màng trong suốt ITO hay ZnO:Al,…thường được sử dụng làm anode. Các lớp hữu cơ: các lớp này được tạo từ các phân tử hữu cơ hay polyme. Lớp truyền lỗ trống (HTL): lớp này được làm tử các phân tử hữu cơ có nhiệm vụ truyền lỗ trống từ anode về lớp EL. Màng truyền lỗ trống thường được sử dụng như: CuPc, PEDOT, PEDOT:PSS, PVK, NBP, TPD,… Lớp truyền điện tử (ETL): lớp này thường được chế tạo từ các chất hữu cơ phân tử thấp như Alq3, ETL có nhiệm vụ truyền điện tử từ cathode về EL.
11 Lớp điện phát sáng (EL) - lớp này được làm từ các phân tử hữu cơ hoặc polymer dẫn điện. Trong nhiều công trình, các tác giả phân biệt OLED chế tạo từ polymer dẫn bằng từ PLED. Điện tử và lỗ trống gặp nhau ở trong lớp này tạo thành exciton, trong thời gian rất ngắn exciton tan rã (hay cặp hạt tải tái hợp) phát ra ánh sáng. Tùy thuộc vào bản chất của lớp EL, OLED có thể phát ra ánh sáng trong vùng tử ngoại hoặc khả kiến. Cathode (có thể trong suốt hoặc không tùy vào loại OLED): cathode sẽ tạo ra các electron khi có dòng điện chạy qua linh kiện. Kim loại thường dùng làm cathode như: Al, Ag, Ag-Mg, Mg, Ca,… OLED hoạt động dựa trên cơ sở phun điện tích dương và điện tích âm từ các điện cực vào các lớp hữu cơ, kết quả cuối cùng là chúng hình thành các exciton và có thể tái hợp phát sáng. Màu của sự phát sáng phụ thuộc vào quá trình chọn polymer hoặc các phân tử nhỏ (tạp của lớp phát sáng) thích hợp. Các electron được phun từ vật liệu công thoát thấp, trong khi các lỗ trống được phun từ vật liệu có công thoát cao. Công nghệ OLED mang lại hiệu quả cao, với những ưu điểm vượt trội so với LED như tiết kiệm điện năng, hiệu quả phát sáng cao, tính tự phát, màu sắc phong phú, chân thực. Hiện nay, OLED cũng được ứng dụng rất nhiều trong các màn hình hiển thị, chiếu sáng. Tuy nhiên, tấm nền Oled rất dễ hỏng khi gặp nước và chất liệu được sử dụng để sản xuất tấm vật liệu hữu cơ của Oled có tốc độ thoái hóa nhanh theo thời gian và việc thay đổi màu sắc của OLED không dễ dàng vì mỗi vật liệu polymer dẫn của lớp phát quang sẽ chỉ tạo ra một màu sắc tương ứng. Để có thể thay đổi được màu sắc của OLED, cần thay đổi các vật liệu phát quang khác nhau và đồng thời phải thay đổi tất cả cấu trúc các lớp xung quanh.