Результаты и их обсуждение
Химическая структура PF-FSO10 и PPF FSO15-DHTBT10 показана на рисунке 1 а. Синий излучающий полимер PF-FSO10 с более высокой подвижностью дырок подходил для более толстопленочного устройства IPLED. Здесь применялась смесь PF-FSO10 и красного излучающего полимера PPF-FSO15-DHTBT10 (вес./вес. = 1/0.12) в качестве излучающего слоя, которая может улучшить способность переноса дырок, что дает преимущество для высокопроизводительного устройства IPLED с более толстой пленкой.
Рисунок 1. (a) Химическая структура и спектры ФЛ PPF-FSO15-DHTBT10 и смеси PF-FSO10:PPF-FSO15-DHTBT10 (вес./вес. = 1/0.12) в пленке, (b) архитектура и относительная площадь рекомбинации IPLED и CPLED
Кроме того, квантовый выход смешанной пленки продемонстрировал очевидное улучшение при увеличении с 37% чистой PPF-SO15-DHTBT10 пленки до 49% из-за ограничения тушения, вызванного агрегацией, в то время как спектры ФЛ показывают синий сдвиг на 14 нм от 630 нм до 616 нм (рисунок 1 а). Как показано на рисунке 1 b, устройство IPLED с конфигурацией ITO/ZnO/PEIE/PF-FSO10:PPFFSO15-DHTBT10/MoO3/Al и эталонное устройство с конфигурацией ITO/PEDOT:PSS/PF-FSO10:PPF-FSO15-DHTBT10/CsF/Al (CPLED) были изготовлены для изучения влияния различной структуры устройства на эффект микрорезонатора. В случае, если IPLED (CPLED) дырка инжектируется из MoO3 (PEDOT:PSS) на уровень HOMO PF-FSO10, и электрон инжектируется из ZnO/PEIE (CsF/Al) на уровень LUMO PF-FSO10, энергия синглетных экситонов, генерируемая на PF-FSO10, будет передана PPF-FSO15-DHTBT10 посредством передачи энергии Фёрстера.
Поскольку эффекты микрорезонатора, по существу, возникают из-за оптической интерференции, расположение области рекомбинации имеет большее влияние на данный эффект. Следовательно, устройство только для дырок и только для электронов с конфигурацией ITO/PEDOT:PSS/PFFSO10: PPF-FSO15-DHTBT10/MoO3/Al и ITO/ZnO/PEIE/PF-FSO10:PPF-FSO15-DHTBT10/CsF/Al соответственно, были изготовлены для качественного анализа местоположения области рекомбинации CPLED и IPLED. Инжекция дырок из MoO3/Al в PF-FSO10 (HOMO: -5.8 эВ) должна быть омической инжекцией из-за образования поверхностного слоя p-легированного в IPLED, в то время как она ограничена PEDOT:PSS (HOMO: -5.2 эВ) к PF-FSO10 (HOMO: -5.8 эВ) из-за большего барьера инжекции. В результате дырочный ток, вводимый из MoO3/Al, почти на три порядка больше, чем ток, вводимый из PEDOT: PSS (рисунок 2).
Рисунок 2. Кривые J-V- дырочных и электронных устройств IPLED (a) и CPLED (b)
Кривые J-V (рисунок 2) также демонстрируют, что дырочный носитель является основным носителем в IPLED и CPLED. А именно, область рекомбинации расположена на поверхности PEIE в IPLED, в то время как она закрыта от Al электрода в CPLED (рисунок 1 b). Для IPLED увеличение толщины излучающего слоя — это увеличение расстояния между зоной рекомбинации и Al электродом, в то время как относительное расстояние между зоной рекомбинации и Al электродом почти не меняется при различной толщине излучающего слоя в CPLED. Очевидно, что спектр ЭЛ будет перестраиваться вместе с изменением области рекомбинации.
Для количественного анализа эффекта микрорезонатора было выполнено исследование с оптическим моделированием, чтобы изучить зависимость спектров ЭЛ от толщины излучающего слоя для IPLED и CPLED устройств. Согласно анализу устройств, содержащих только дырки/электроны, область рекомбинации была установлена на границе раздела между PEIE (CsF) и излучающим слоем для IPLED (CPLED), а применяемый внутренний источник света был основан на спектрах ЭЛ PPF-FSO15-DHTBT10 для устройства CPLED.
На рисунке 3 представлены смоделированные спектры ЭЛ для различной толщины излучающего слоя на основе устройств IPLED и CPLED. Для устройств IPLED (рисунок 3 а) модель показывает красное смещение спектров от 650 до 704 нм при увеличении толщины излучающего слоя с 60 до 162 нм. Кроме того, с непрерывным увеличением его толщины в спектрах электролюминесценции появляются два основных пика, расположенных примерно на 700 нм и 600 нм соответственно. Наконец, основной длинноволновый пик постепенно исчезает, а коротковолновое излучение увеличивается с тенденцией к красному смещению. Напротив, спектры электролюминесценции устройств CPLED представляют собой иную ситуацию, поскольку спектры электролюминесценции практически не изменяются, а только сужаются и расширяются при различной толщине излучающего слоя (рисунок 3 b). По-видимому, такие две разные тенденции изменения спектров ЭЛ напрямую связаны с расположением области рекомбинации. Более конкретно, разница в площади рекомбинации приводит к различной разнице оптических путей между фотоном, отраженным обратно от отражающего электрода, и фотоном, испускаемым непосредственно из стеклянной подложки (рисунок 1 b), а разница оптического пути напрямую влияет на оптическую интерференцию.
Рисунок 3. Смоделированные спектры ЭЛ для разной толщины излучающего слоя (PF-FSO10: PPF-FSO15-DHTBT10) для IPLED (a) и CPLED (b)
Чтобы дополнительно подтвердить предсказанные спектры электролюминесценции, были изготовлены устройства IPLED и CPLED с толщиной излучающего слоя от 60 до 236 нм. На рисунке 4 представлены относительные спектры ЭЛ для устройств IPLED и CPLED. Очевидно, что спектры ЭЛ показывают красное смещение, а основной пик спектров ЭЛ смещается с 622 нм (толщина 60 нм) до 700 нм (толщина 174 нм) с увеличением толщины излучающего слоя для устройства IPLED (рисунок 4 а). Когда толщина излучающего слоя достигала 184 нм, 190 нм и 195 нм, спектры электролюминесценции показывали два независимых основных пика, 594 нм и 714 нм, 596 нм и 730 нм, 600 нм и 744 нм соответственно. По мере непрерывного увеличения толщины основной пик длинной волны постепенно исчезает, в то время как основной пик короткой волны имеет тенденцию к непрерывному красному смещению. Когда толщина достигает 215 нм, в спектрах электролюминесценции присутствует только главный пик на 604 нм. Очевидно, что колеблющееся изменение спектра электролюминесценции происходит из-за эффектов микрорезонатора. Кроме того, существует слабое синее излучение с максимумом на 450 нм, которое должно быть связано с PF-FSO10. Излучение от оранжевого до ближнего ИК-диапазона было получено путем регулирования толщины излучающего слоя с помощью инвертированного устройства. Тем не менее, спектры электролюминесценции практически не изменяются и имеют лишь небольшое сужение и уширение при увеличении толщины излучающего слоя со 113 нм до 236 нм для устройств CPLED. Кроме того, излучение PF-FSO10 было практически полностью подавлено PPF-FSO15-DHTBT10. По-видимому, измеренные спектры электролюминесценции очень хорошо совпадают с результатами моделирования, что гарантирует обоснованность вывода о том, что спектры электролюминесценции будут отличаться при разной толщине излучающего слоя для устройств IPLED из-за того, что область рекомбинации находится далеко от металлического электрода. Спектры электролюминесценции на основе чистого полимера (PPF-FSO15-DHTBT10) в качестве излучающего слоя также демонстрируют схожее явление, как и смешанная система с увеличенной толщиной излучающего слоя.
Рисунок 4. Зависимость спектров ЭЛ от толщины излучающего слоя (PFFSO10: PPF-FSO15-DHTBT10) для IPLED (a) и CPLED (b)
Эффекты микрорезонатора также сильно влияют на эффективность устройства. Теперь обратим внимание на показатели эффективности (таблица 1) и кривые J-V, L-V и LE-J (рисунок 5) соответствующих устройств. В IPLED эффективность (яркость) сначала уменьшалась, а затем увеличивалась с увеличением толщины излучающего слоя. Сделав толщину излучающего слоя 174 нм, IPLED получил излучение в ближней инфракрасной области (λEL: 700 нм) с EQEmax 0.54%. В отличие от колебательного поведения эффективности устройств IPLED, все устройства CPLED имеют одинаковую производительность с EQEmax около 3% и λEL 640 нм.
Таблица 1. Сводка основных показателей эффективности устройств на основе разной толщины излучающего слоя (OF-FSO 10:PPF-FSO15-DHT T10)
Максимум L, LE и EQE. b Пиковое значение спектра электролюминесценции. с Напряжение люминесценции выше 1 кд/м-2 с.
Рисунок 5. Кривые J-V, L-V и LE-J для IPLED (a, c и e) и CPLED устройства (b, d и f).
На рисунке 5 (a, b) устройства IPLED имеют большую плотность тока, чем устройства CPLED, при той же толщине и приложенном напряжении смещения, которое должно быть получено из-за неомической инжекции дырочного носителя в CPLED. Ограниченная инжекция дырок приводит к более высокому напряжению включения (Vвкл). Как показано на рисунке 5 (c, d) и в таблице 1, Vвкл (5.0 В) CPLED почти вдвое больше, чем у IPLED (2.8 В), при той же толщине излучающего слоя (60 нм). По мере увеличения толщины излучающего слоя такая разница будет более очевидной. Vвкл IPLED было сосредоточено в диапазоне от 3 В до 5 В, тогда как Vвкл CPLED увеличилось с 5 В до 15.2 В при изменении толщины излучающего слоя с 60 до 236 нм.
Для дальнейшего исследования стабильности электролюминесценции спектры измеряли при различных токах возбуждения. Как показано на рисунке 6 (a, b и d), спектры электролюминесценции практически не изменяются при плотности тока в диапазоне от 12 до 200 мА/см2. Спектры электролюминесценции демонстрируют незначительный синий сдвиг с увеличением плотности тока, когда они приближаются к излучению в ближней ИК-области (рисунок 6 c), такое явление может быть связано с небольшим сдвигом области рекомбинации из-за увеличения плотности тока накачки.
Рисунок 6. Спектры ЭЛ при разной плотности тока в IPLED устройствах
Учитывая, что смоделированные спектры электролюминесценции зависят только от местоположения области рекомбинации, этот метод настройки спектра теоретически должен быть эффективным для большинства полимеров p-типа. Поэтому были изготовлены IPLED устройства с конфигурацией ITO/ZnO/PEIE/MEH-PPV (85-150 нм)/MoO3/Al на основе обычного органического полупроводника, называемого MEH-PPV (100 ℃/20 мин). Характеристики устройства показаны в таблице 2. Плотность тока и яркость будут уменьшаться вместе с непрерывным увеличением толщины излучающего слоя. IPLED имеет лучшие характеристики (EQEmax: 1.89% и λEL: 638 нм) при толщине излучающего слоя 85 нм. При непрерывном увеличении толщины спектр ЭЛ будет проявлять красное смещение вместе с расширением. При толщине 150 нм устройство показало высокую эффективность (EQEmax: 0.83%) с двумя основными пиками, расположенными на 690 нм и 590 нм соответственно (рисунок 7 a).
Рисунок 7. Зависимость спектров электролюминесценции от температуры отжига пленки MEHPPV: (a) 100 ℃ и (b) 155 ℃ для IPLED устройств
Таблица 2. Эффективность MEH-PPV устройств различной толщины при температуре отжига 100/150 ℃
а Максимум L, LE и EQE. b Пиковое значение спектра электролюминесценции. с Напряжение люминесценции выше 1 кд/м-2 с.
Согласно предыдущим отчетам, термический отжиг MEH-PPV привел к образованию эксимера. Спектры поглощения в УФ и видимой областях пленки MEH-PPV, отожженной при 100 и 155 ℃. Спектры поглощения почти не изменились, но спектры ФЛ показывают очевидное красное смещение и уширение после отжига при 155 ℃, что должно быть связано с образованием эксимера.
Очевидно, что красное смещение и уширение излучения способствуют усилению интенсивности излучения в ближней инфракрасной области света. Поэтому были изготовлены IPLED с MEH-PPV с температурой отжига 155℃. По сравнению с устройством, которое отжигается при 100 ℃, световая отдача и яркость немного снижается, но EQE почти не изменяется (таблица 2). Из-за наличия эксимера спектры ЭЛ имеют очевидное изменение, которое приводит к сдвигу с 638 нм до 658 нм для излучающего слоя той же толщины 85 нм (рисунок 7). В частности, устройство получило излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (λEL: 704 нм/706 нм) с EQEmax 1.17%/1.03%, когда толщина достигла 135 нм/150 нм.
Кроме того, устройство NIR-IPLED имеет превосходную стабильность в отношении спада эффективности, EQE может поддерживаться на уровне 70% от EQEmax, даже если плотность тока достигает 500 мА/см2. При непрерывном увеличении толщины до 160 нм основной пик спектра электролюминесценции смещается до 712 нм, но вместе с пиком на 592 нм, что соответствует вышеупомянутому исследованию. Насколько известно, это также первый отчет, в котором получено NIR излучение на основе оранжево-красного светоизлучающего материала MEH-PPV.
Заключение
Подводя итог, в данном исследовании сообщается о методе получения излучения в ближнем инфракрасном диапазоне от обычных материалов, излучающих красный цвет, путем настройки толщины излучающего слоя с помощью инвертированной структуры устройств. Основной пик спектров электролюминесценции показывает красное смещение от 622 нм до 714 нм при толщине излучающего слоя (PF-FSO10:PPF-FSO15-DHTBT10), увеличенной с 60 до 184 нм, а излучение в ближней ИК области IPLED (λEL: 700 нм) имеет EQEmax 0.54%. Напротив, устройство CPLED не показало аналогичного явления, которое должно иметь значительную связь с расстоянием между металлическим электродом и областью рекомбинации, или, скорее, большее расстояние привело к более очевидным эффектам микрорезонатора. Кроме того, данный метод также применялся к широко используемому полимеру, названному MEH-PPV, с которым было реализовано излучение в ближней инфракрасной области (λEL: 706 нм) с EQEmax 1.03%, и было обнаружено небольшое падение эффективности при высоких плотностях тока. Этот метод создаст новый способ получения излучения в ближней инфракрасной области.
©LINKGLOBAL21 Co., Ltd.
Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором продукции LINKGLOBAL21 на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
