Органические светоизлучающие диоды (стр. 1 )

ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ

Лекционный курс для студентов и преподавателей МИЭТ

____________________________________________________________

Лекция 1

Настоящий курс лекций посвящен органическим светоизлучающим диодам - т. е. оптоэлектронным преобразователям, содержащим органическое вещество, способное генерировать излучение при пропускании через него электрического тока. Для обозначения этих устройств далее я буду использовать широко применяемую в публикациях и Интернете англоязычную аббревиатуру – OLED (Organic Light Emitting Diode). На самом деле следовало бы употреблять аббревиатуру OLDEs, т. е. множественное число, но поскольку в русском языке это буквосочетание практически потеряло значение аббревиатуры, а стало самостоятельным существительным, то так и будем его употреблять – без s на конце. Следует отметить, что аббревиатура OLED, имеющая общее толкование, не редко содержит префиксы (например, WOLED, FOLED, TOLED и т. п), обозначающие конкретный тип светодиодов. Эти устройства мы рассмотрим в специальных разделах.

Область OLED является одним из наиболее быстро развивающихся направлений современных высоких технологий. Привлекательность органических светодиодов обусловлена потенциальными (и частично уже реализованными) возможностями их использования в качестве эффективных источников освещения и как базового элемента (пикселя) в алфавитно-цифровых дисплеях.

Цель лекций заключается в том, чтобы ознакомить вас с принципами работы, типами и характеристиками OLED-ячеек, физическими процессами, протекающими в органическом материале при трансформировании электрической энергии в световую, методами конструирования светодиодных устройств, их преимуществами и недостатками. Значительное внимание будет уделено материалам, включая неорганические, используемым при изготовлении OLED. Этот раздел в общей проблеме светоизлучающих диодов является ключевым, поскольку именно материалы определяют эффективность устройств и их долговечность.

Материал лекций и по форме и по существу будет существенно отличаться от тех лекционных курсов, которые вы привыкли слушать здесь на Радиофаке. Главное отличие будет заключаться в практически полном отсутствии математики, не только высшей, но и простой арифметики. Когда мы перейдем к материалам, будет довольно много химических формул, точнее схем разнообразных молекул, которые вам предстоит освоить. Общее число лекций будет 12. По окончании семестра вам предстоит сдавать зачет.

По-видимому, большинство из вас прослушало курсы по физике твердого тела, физике атомных явлений и атомного ядра, квантовой механике, квантовой радиофизике, нелинейной оптике, и, конечно, общей физике, т. е. вы вполне готовы для понимания и усвоения того материала, который я собираюсь вам дать. Но каждый раздел физики, также как и во всякой другой науке, имеет свои особенности, свои акценты. Например, вы уже знаете, что такое люминесценция, как она возникает и от чего зависит, но поскольку это физическое явление лежит в основе органических светоизлучающих диодов, мы немного поговорим о нем еще раз. Несколько подробнее рассмотрим электролюминесценцию и потом перейдем к OLEDам. Вполне естественно, что в некоторых моментах я буду повторять то, что вы уже слышали в других курсах, поскольку многие разделы физики перекрываются. Но такая схема необходима для целостной картины. К тому же перекрывающиеся области каждого из разделов, как я уже говорил, имеют свои особенности.

Давайте договоримся: если какие-то моменты вам будут непонятны, не стесняйтесь задавать вопросы прямо по ходу моего рассказа. Если будет возможен короткий ответ, отвечу сразу. Если нет, сделаюпояснение на следующей лекции.

Несколько слов о том, для чего вам стоит прослушать лекции по OLEDам. Кроме того, что вам предстоит работа на предприятии, профиль которого близок производству органических светоизлучающих диодов, знание принципов одного из новых направлений современных нанотехнологий расширит ваш профессиональный кругозор. И, во-вторых, очень может быть, что благодаря этим знаниям вы найдете себе интересную работу на другом родственном по профилю предприятии. Россия, к сожалению, очень сильно отстала от развитых стран Европы, Азии и США в области OLED, но сейчас предпринимаются попытки это отставание ликвидировать. Проводятся интенсивные исследования технологии и материалов для OLED в нескольких институтах и университетах Москвы, С. Петербурга, Екатеринбурга, Томска и в Нижнем Новгороде, в институте металлоорганической химии им. Разуваева. К сожалению, оборудование практически во всех этих центрах довольно примитивное, но, тем не менее, некоторые российские результаты не уступают по своему уровню зарубежным. Хорошее современное оборудование для изготовления модельных OLED стоит 350 млн. руб.

Кроме научных исследований, в России предполагается организация промышленного производства приборов на базе OLED – как полноцветных дисплеев и мониторов, так и одноцветных приборов освещения. Предполагается закупить готовые линии, технологии и материалы, начать производство, а потом постепенно перейти на Российские технологии и материалы, которые должны быть разработаны за ближайшие 2-3 года. Одна такая установка уже закуплена в Московском предприятии Циклон. Она должна быть запущена в этом году. Одна из основных проблем на пути реализации программы по OLEDам – проблема кадров. В России нет образовательных центров, которые готовили бы специалистов для работы на таких установках. Специалистов для исследований университеты тоже не готовят. Насколько я знаю, даже специальных лекций по этой теме нигде не читают. Так что вы, я думаю, сможете найти применение своим знаниям.

О литературе для подготовки к зачету. Литературы на русском языке по теме органических светодиодов очень мало. Есть только одна не очень объемная монография, два обзора узкой направленности и несколько статей. Зарубежной литературы море – есть и статьи и обзоры и сборники и монографии, но эти книги трудно доступны, и к тому же они на английском языке, что, конечно, затрудняет восприятие материала, тем более такого непростого, как материал по OLED. Российские источники и основные зарубежные приведены на слайде.

Итак, OLEDы. Краткая историческая справка.

Современные источники света появились относительно недавно и испытали стремительную эволюцию.

В прошлом (XX-ом) столетии технологии освещения базировались в основном на ярко-белых, флуоресцентных и разрядных источниках света высокой интенсивности, но прототипы были созданы еще в веке XIX-ом.

В 1801 г. сэр Хамфри Дэви, английский химик, пропустил ток через платиновые полоски, что привело к их свечению. В 1810 г. он продемонстрировал разрядную лампу Королевскому Обществу Великобритании, создав маленькую дугу между двумя угольными стержнями, подключенными к батарее. Это привело к разработке источника света с разрядом высокой интенсивности (электродуговой ртутной лампы), но первая ртутная лампа высокого давления не была продана только в 1932 г.

В 1879 г. Джозеф Сван и Томас Эдисон независимо разработали первую электрическую лампу, основанную на принципах свечения абсолютно черного тела. В Соединенных Штатах Томас Эдисон разработал первую ярко-белую лампу. В его первом коммерческом продукте использовались коксуемые бамбуковые волокна, потреблявшие приблизительно 60 Вт в течение 100 часов. Эффективность составляла порядка 1.4 лм/Вт. Дальнейшее усовершенствование позволило создать источник мощностью 60 Вт с эффективностью приблизительно 15 лм/Вт при питании 120 В. Это была ярко-белая лампа со средним сроком службы 1000 часов.

В 1901 г. Питер Купер Хьюит, американский изобретатель, запатентовал первую газоразрядную ртутную лампу низкого давления. Это был первый прототип современных флуоресцентных ламп. Джордж Инман, работающий в известной фирме General Electrics, улучшил эту разработку и создал первую промышленную флуоресцентную лампу, продемонстрированную на всемирных ярмарках в Нью-Йорке и Сан-Франциско в 1939 г. К настоящему времени, эффективность флуоресцентного освещения достигла 65-100 лм/Вт, в зависимости от типа лампы и потребляемой мощности.

В 1961 г. Гильберт Рейлинг запатентовал первую металло-галогенную лампу. Эта лампа обладала более высокой эффективностью и лучшими цветовыми свойствами по сравнению с ртутной лампой, что дало ей определенные преимущества для применения в целях уличного и индустриального освещения. Эта лампа была продемонстрирована в 1964 г. на всемирной ярмарке.

Вскоре после этого (в 1965 г.) была разработана первая натриевая лампа высокого давления. С этого времени эффективность натриевых ламп достигла диапазона 45-150 лм/Вт. Это значение сильно зависит от типа лампы и потребляемой мощности.

Явление электролюминесценции (ЭЛ), заключающееся в излучении фотонов твердым телом при комнатной температуре под воздействием электрического тока, было открыто в начале XX в. В том, что ЭЛ может происходить при комнатной температуре и заключается ее главное отличие от теплового свечения, являющегося электромагнитным излучением видимого диапазона оптического спектра, испускаемым материалами, нагретыми до высокой температуры, обычно большей 750 °C.

В 1891 г. был разработал процесс промышленного получения нового материала - карбида кремния SiС, названного карборундом. Через 15 лет при проверке возможности использования кристаллов SiС для изготовления токовыпрямляющих твердотельных детекторовбыло замечено испускаемое ими свечение. Именно с этого момента фактически начинается история светодиодов.

В 1928 г. наш соотечественник Олег Лосев опубликовал результаты своих исследований явления люминесценции, наблюдаемого в выпрямляющих SiС-диодах, используемых в качестве демодуляторов в радиосхемах, на переходах металл–полупроводник. Он пытался найти причину появления люминесценции, для чего капал на светящуюся поверхность образца бензол и измерял скорость его испарения. Исходя из того, что бензол испарялся очень медленно, он сделал правильное заключение, что излучение света никак не связано с разогревом поверхности. Лосев обнаружил, что появление и исчезновение свечения в SiС-диодах при включении тока происходило очень быстро, что делало возможным изготовление на их основе так называемых световых реле.