СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
На правах рукописи
Кочетков Федор Михайлович
Создание и исследование гибких светодиодов на основе массивов фосфидных и нитридных полупроводниковых соединений нитевидных нанокристаллов, инкапсулированных в полимерные матрицы
Специальность: 1.3.11 – «Физика полупроводников»
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург
2022 г.
Общая характеристика работы
Актуальность работы:
Технологии создания гибких оптоэлектронных структур активно развиваются, и ожидается, что рынок таких устройств будет увеличиваться высокими темпами. В области освещения возрастает потребность в источниках света для уличного использования и интерьеров помещений. Изогнутые протяженные источники света могут быть совмещены с поверхностью мебели и других элементов интерьера для достижения заданных дизайнерских и/или технических показателей. Потенциал применения гибких графических экранов также многообразен. Среди них можно назвать широкоформатные изогнутые экраны для улучшения просмотра боковым зрением, прозрачные покрытия для светодиодных экранов, видеоэкраны для неплоских поверхностей таких, как складные экраны смартфонов и выдвижные экраны в автомобилях, которые также оснащены сенсорным покрытием. Можно прогнозировать также такие инновационные применения как электронная бумага, одежда со встроенными экранами и солнечными элементами в качестве питания, электронные постеры и этикетки. Даже для более традиционных применений свойство механической гибкости выгодно отличает подобные оптоэлектронные устройства от обыкновенных жёстких, поскольку обеспечивает большую устойчивость к повреждениям при ударах. Стоит отметить, что на сегодняшний день технология гибких источников света, в сущности, ограничена необходимостью использования органических светодиодов, а само понятие "гибкого устройства" стало синонимично "органическому устройству". Действительно, источники света, основанные на органических соединениях, демонстрируют значительный прогресс за последние 15 лет, двигателем которого явилась разработка гибких графических экранов. Несмотря на достаточно продолжительный путь развития, технология органических устройств по-прежнему имеет некоторые нерешенные проблемы. Одним из недостатков органических светодиодов является температурная и химическая нестабильность органических материалов, в том числе их оксидация (в частности, в условиях повышенной влажности), рекристаллизация и диффузия металлических ионов в органических слоях, приводящая к деградации электропроводности органических слоев и интерфейсов в активной области. Эта деградация приводит к ограничениям срока службы органических светодиодов, который значительно короче, чем для неорганических устройств. Другой недостаток органических светодиодов заключается в их умеренной эффективности и относительно низкой светимости (около 100-10000 кд/кв. м) в сравнение с неорганическими светодиодами. Поэтому в применениях, где важна яркость и долгосрочная стабильность, предпочтительно использование неорганических полупроводниковых светодиодов. На сегодняшний день зарекомендовавшими себя материалами для достижения высокой светимости и внешней квантовой эффективности являются полупроводниковые соединения на основе твердых растворов А3В5. Главный недостаток неорганических полупроводников — это механическая жёсткость (а также хрупкость) и необходимость применения традиционных высокотемпературных методов синтеза на жестких кристаллических подложках. В настоящее время усилия исследователей сосредоточены на поиск возможных путей преодоления геометрических и механических ограничений для использования неорганических полупроводниковых соединений в качестве основы для гибких источников света и графических экранов. Для создания гибких устройств на основе неорганических полупроводниковых материалов могут быть применены различные стратегии. Классический подход заключается в микроструктурировании и переносе тонких плёнок. Однако, создание гибких устройств на основе тонких плёнок остается относительно сложным с технологической точки зрения и требует дополнительных этапов постростовых процессов по отделению и микроструктурированию активных слоёв. Более того, гибкие светодиоды на основе перенесённых тонких плёнок часто демонстрируют сдвиг длины волны люминесценции при изгибе из-за изменения ширины запрещенной зоны, вызванного механическими напряжениями в кристалле. Поэтому сегодня активно изучаются альтернативные подходы к созданию неорганических гибких светодиодов, основанные на использовании наноматериалов, в частности нитевидных нанокристаллов полупроводниковых (ННК) твердых растворов А3В5. ННК обладают высоким аспектным отношением длины к диаметру, и как следствие, прекрасными механическими характеристиками.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Цель работы.
Создание и исследование электрофизических и оптических свойств гибких и растяжимых светодиодных структур на основе полупроводниковых соединений нитевидных нанокристаллов А3В5 и прозрачных электродов.
|
|
|
Для достижения обозначенной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Разработать ряд постростовых процессов для создания гибких и растяжимых светодиодных структур на основе синтезированных А3В5 ННК, включающих в себя способ инкапсуляции ННК в силиконовый полимер методом гравитационной накрутки, методики отделения сформированных мембран от жесткой ростовой подложки и способов формирования электродов к мембранам.
2. Исследовать электрофизические характеристики полученных образцов различными методами, включающими измерение вольт-амперных характеристик и исследование карт тока наведенного электронным пучком.
3. Исследование оптических характеристик созданных светодиодных мембран А3В5 ННК/силиконовая матрица методами измерения электролюминесценции.
Научная новизна:
1. Впервые разработан и исследован способ инкапсуляции массивов полупроводниковых нитевидных нанокристаллов различной морфологии в полимерные матрицы методом гравитационной накрутки, позволяющий создавать сверхтонкие гибкие и оптически прозрачные устройства.
2. Предложены электроды на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок, металлических слоев Cr/Au/Cr и проводящего полимера к мембранам на основе структур p- и n-А3B5 ННК и исследованы их электрофизические свойства.
3. Разработана численная модель, описывающая режимы работы светодиодной структуры на основе массивов GaP/GaPAs ННК, определены геометрические размеры ННК, а также состав и профиль легирования p-i-n структуры, излучающей свет в красном спектральном диапазоне.
4. Впервые разработаны и исследованы гибкие светодиодные структуры на основе массивов GaP/GaPAs ННК, инкапсулированных в полимерную матрицу с основным пиком электролюминесценции на длине волны 650 нм, в которых в качестве прозрачных электродов использованы слои одностенных углеродных нанотрубок.
5. Впервые продемонстрированы гибкие и растяжимые мембраны на основе массивов GaN/InGaN ННК, инкапсулированных в полимерную матрицу с основным пиком электролюминесценции в диапазоне 450-460 нм, и растяжимых прозрачных электродов на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок.
Практическая значимость:
1. Разработана новая постростовая технология создания гибких сверхтонких (~3 мкм) прозрачных мембран A3B5 ННК/силиконовая матрица большой площади (~75 см2), включающая в себя инкапсуляцию массивов ННК различной морфологии в полимерные матрицы методом гравитационной накрутки и метод варьирования толщины мембраны с помощью плазменного селективного травления силиконовых полимеров.
2. Разработаны подходы к отделению полимерных мембран, содержащих А3В5 ННК, от жестких ростовых подложек, обеспечивающие перенос вертикально ориентированных ННК в полимерную матрицу.
3. Разработаны методики формирования прозрачных и полупрозрачных электродов к гибким светодиодным структурам, обеспечивающие стабильный электрический контакт при деформации структуры.
4. Продемонстрирована технология создания гибких прозрачных мембран GaP/GaPAs ННК/силиконовая матрица, излучающих в красном оптическом диапазоне, с прозрачными электродами на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок.
5. Продемонстрирована технология создания растяжимых светодиодных мембран на основе GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица с устойчивыми к растяжениям электродами на основе прозрачных слоев одностенных углеродных нанотрубок.
Объекты и методы исследования:
В диссертационной работе проведены исследования гибких мембран на основе полупроводниковых нитевидных нанокристаллов А3В5, инкапсулированых в силиконовые полимеры, со сформированными прозрачными и/или полупрозрачными электродами. Для решения поставленных задач измерены вольт-амперные характеристики, спектры электролюминесценции, получены карты тока наведенного электронным пучком, а также определены структурные свойства структур методами сканирующей электронной микроскопией.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Инкапсуляция методом гравитационной накрутки массивов полупроводниковых нитевидных нанокристаллов GaP n- и p-типа проводимости в гибкую прозрачную полимерную матрицу позволяет создавать мембраны с минимальной толщиной около 3 мкм. Использованы различные гибкие контактные материалы к мембранам GaP ННК/силиконовая матрица, в частности, токопроводящий полимер ФГС обеспечивает плотность тока 0.6 мА/см2, введение в ПДМС многостенных углеродных трубок увеличивает плотность тока до 20 мА/см2, контакты из слоев одностенных углеродных нанотрубок демонстрируют плотность тока 60 мA/см2 и 400 мА/см2 для n-GaP и p-GaP, соответственно.
2. Метод гравитационной накрутки полимеров на трехдюймовых ростовых Si подложках позволяет создавать мембраны большой площади. Использование стирольного ПДМС в качестве гибкой полимерной матрицы обеспечивает в два раза более низкую адгезию к Si по сравнению со стандартным ПДМС, что ведет к полному переносу полупроводниковых ННК в полимерную мембрану и повторному использованию ростовых подложек.
3. Инкапсуляция массивов нитевидных нанокристаллов GaP/GaPAs в полимерную матрицу ПДМС с последующем ее отделением от Si ростовой подложки и формированием электродов из слоев одностенных углеродных нанотрубок с прозрачностью 80% позволяет создавать светоизлучающие диоды, работающие в красном спектральном диапазоне.
4. Предрастяжение мембран GaN/InGaN/GaN ННК\ПДМС на 20% перед нанесением контактных площадок из слоев углеродных нанотрубок обеспечивает стабильный электрический контакт к мембране при ее последующих растяжениях на 20%. Данный способ нанесения контактов позволяет получать стабильные растяжимые светоизлучающие устройства, работающие в синем спектральном диапазоне, со снижением интенсивности электролюминесценции менее чем на 15% после 20 циклов растяжения/релаксации.
Достоверность полученных результатов, представленных в диссертации, подтверждается использованием широкого спектра экспериментальных методов для исследования репрезентативной выборки образцов, соответствием и согласием их измерений между собой, сопоставлением с расчетами компьютерного моделирования и литературными данными, полученными другими авторами при изучении и анализе похожих структур.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях:
- международная школа-конференция ПИЯФ по физике конденсированного состояния “FKS-2020”, Сестрорецк, Россия;
- международная школа-конференция “Saint-Petersburg OPEN” по оптоэлектронике, фотонике, нано- и нанобиотехнологиям 2020 г., Санкт-Петербург, Россия;
- международная школа-конференция “Saint-Petersburg OPEN” по оптоэлектронике, фотонике, нано- и нанобиотехнологиям 2021 г., Санкт-Петербург, Россия;
- международная конференция ФизикА. СПб 2020 г., 2021 Санкт-Петербург, Россия;
- международная конференция ФизикА. СПб 2021 г., Санкт-Петербург, Россия.
Личный вклад.
В процессе работы над материалами диссертации личный вклад автора заключался в постановке задач и контроле всех этапом постростовой обработки синтезированных полупроводниковых структур для создания гибких и/или растяжимых оптоэлектронных устройств, проведении электрофизических и оптических измерений. Совместно с научным руководителем выполнен анализ экспериментальных данных, проведено сопоставление с известными литературными данными и результатами численного моделирования, сделаны выводы на их основе.
Публикации
Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе в 6 журналах индексируемых Web of Science и 9 журналах индексируемых Scopus, 0 журналах, входящих в перечень ВАК.
Объем и структура работы.
Диссертация содержит … глав на … страницах, …рисунков и … таблиц.
Содержание работы
Во введении раскрыта актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулирована ее главная цель и решаемые в ней задачи, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также перечислены основные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 представлен литературный обзор достигнутых на сегодняшний день результатов, связанных с созданием гибких светодиодных структур. В начале приведена краткая история развития полупроводниковой технологии на протяжении 20-го века до сегодняшнего дня: показан путь от первых светодиодных структур на основе SiC, созданных еще в начале 20-го века, до момента формирования полупроводниковых соединений на основе А3В5, покрывающих весь оптический диапазон и широко применяемых в различных научных, гражданских и военных отраслях для отображения информации. Также внимание уделено полупроводниковым наноструктурам с двумерным ограничением носителей заряда - нитевидным нанокристаллам (ННК), применяемым в различных областях микро- и наноэлектроники, благодаря возможности комбинирования различных материалов с сильным рассогласованием по параметру кристаллической решетки (например, InP ННК, синтезированные на Si подложке (111)), их электронным и оптическим свойствам. Рассмотрены аксиальные и радиальные гетероструктуры ННК, методы их формирования и применимость в функциональной оптоэлектронике. В частности, рассмотрена возможность применения гетероструктурных ННК для создания функциональной индикации и дисплеев носимой электроники. Приведены этапы развития технологии создания гибких дисплеев на основе жидких кристаллов, плазменного разряда, а также органических светоизлучающих диодов, которые на сегодняшний день занимают весь рынок гибких светоизлучающих устройств из-за их относительно недорого производства, эффективной электролюминесценции и сверхтонкой планарной структуры с общей толщиной порядка 500 нм [1, 2]. При этом указано, что органические материалы значительно уступают неорганическим с точки зрения стабильности структуры и внешней квантовой эффективности электролюминесценции, особенно в синей и красной областях спектра. Также органические светодиоды предъявляют особые требования к материалам электродов из-за их нестабильности в окружающей среде. На данный момент в качестве прозрачного электрода к органическим светодиодам чаще всего используют оксиды металлов из-за их высокой прозрачности (>90% в оптическом диапазоне), проводимости (6 Ом/кв) и возможности изолирования излучающей структуры от окружающей среды. Однако, даже тонкие слои ITO (менее 200 нм) не устойчивы к сильным механическим деформациям на изгиб, а также неспособны к растяжению [3, 4]. Это подчеркивает актуальность исследований, посвященных методам создания функциональных гибких устройств на основе гетероструктурных А3В5 ННК, изучению электронных и оптических характеристик таких структур, объединенных с различными прозрачными и/или полупрозрачными материалами электродов, способных к сильным механическим деформациям и растяжениям.
В главе 2 представлены результаты исследований в области разработки постростовых подходов для создания гибких мембран А3В5 ННК/силиконовая матрица, отделенных от жесткой ростовой подложки и объединенных с прозрачными и полупрозрачными электродами. Также в данной главе приведены результаты исследований электрических свойств таких структур. Для создания гибких мембран А3В5 ННК/силиконовая матрица использовались массивы GaP ННК с n- и p- типами проводимости, синтезированные на Si подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ), со средней высотой 8 мкм и 3 мкм, соответственно. Для инкапсуляции массивов ННК в силиконовую матрицу был разработан и исследован метод гравитационной накрутки в бакетной центрифуге. Было обнаружено, что данный метод позволяет эффективно инкапсулировать массивы ННК с большой поверхностной плотностью (более 10 мкм-2) в вязкие силиконовые полимеры за счет того, что давящая на силиконовую матрицу сила направлена по нормали к поверхности по всей площади образца. Также данный метод применим для инкапсуляции массивов А3В5 ННК большой площади (до 75 см2) при использовании высокоскоростной бакетной центрифуги тяжелой загрузки. Показано, что селективное травление в кислородной плазме и/или в плазме смеси О2/CF4 из-за высокой скорости травления полимерных материалов на основе Si (0.5-1.5 мкм/сек) является эффективным способом управления толщиной мембраны А3В5 ННК/силиконовая матрица. Продемонстрированы различные способы отделения мембраны А3В5 ННК/силиконовая матрица от жесткой ростовой подложки методами срезания лезвием с тефлоновым покрытием, термическим методом, а также методом взрывной литографии. Сравнение предложенных методик показало, что механический способ отделения мембраны лезвием является наиболее простым и эффективным и обеспечивает практически полный перенос массива А3В5 ННК с ростовой подложки в силиконовую матрицу. Проведены исследования различных материалов силиконовых матриц, таких как полидиметилсилаксан (ПДМС) марки Sylgard 184, стирольный ПДМС (ПДМС-Ст) и стиролсодержащей резины (ССР). Установлено, что для создания светодиодных структур наиболее подходящим силиконовым материалом является ССР из-за высокой прозрачности и относительно низкой вязкости и высокой механической прочности. Однако из-за сложности контролирования растворителя в таком силиконовом полимере в данной работе преимущественно использовался ПДМС марки Sylgard 184.
Для исследования электронных характеристик полученных образцов GaP ННК / полимерная матрица предложены методы формирования электродов к мембранам на основе слоев одностенных углеродных нанотрубок, тонких слоев металлов Cr/Au/Cr и ферроценил-содержащих полидиметилсилоксанов (ФСР). Исследованы вольт-амперные характеристики мембран с инкапсулированными массивами n- и р-GaP ННК с электродами из слоев одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ), демонстрирующие омический контакт на интерфейсе ОУНТ/р-GaP ННК, и контакт с барьером Шоттки на интерфейсе ОУНТ/n-GaP (рисунок 1).
Рисунок 1 Вольт-амперные характеристики мембран мембран с ОУНТ электродами а) p-GaP ННК/cиликоновая матрица б) n-GaP ННК/силиконовая матрица.
Была оценена плотность тока для образцов n-GaP и р-GaP, которая составила 60 мА/см2 и 1600 мА/см2, соответственно, что подтверждает формирование контакта с барьером Шоттки и омического контакта к структурам с различным типом легирования. Для подтверждения формирования контакта с барьеров Шоттки на интерфейсе мембраны ОУНТ/n-GaP ННК были проведены дополнительные исследования методом картирования тока, наведенного электронным пучком (темные точки на рисунке 2).
Рисунок 2. СЭМ изображение (слева) и соответствующая карта тока, наведенного электронным пучком (справа), мембраны n-GaP ННК/силиконовая матрица с электродами из слоев ОУНТ (вид сверху).
Также для подтверждения отсутствия электрического шунтирования электродов была создана контрольная мембрана на основе нелегированного массива GaP ННК/силиконовая матрица. Соответствующая вольт-амперная характеристика (ВАХ) приведена на рисунке 3. Измеренное значение тока находится на уровне шума используемого измерительного прибора (150 пА). Полученная кривая указывает на отсутствие шунтирование между ОУНТ электродами.
Рисунок 3. ВАХ контрольного образца мембраны с нелегированными GaP ННК/силиконовая матрица с электродами из слоев ОУНТ.
Также исследовались электроды на основе слоев металлов Cr/Au/Cr толщиной 5/50/20 нм, сформированные на одной стороне мембран n- и р-GaP ННК/силиконовая матрица методом термического напыления в вакууме. Электрический контакт со второй стороны мембран обеспечивался слоями ОУНТ. Кривые ВАХ исследуемых структур представлены на рисунке 3
Рисунок 3. ВАХи мембран с верхним электродом из сплошных слоев металлов Cr/Au/Cr и нижним - на основе слоев ОУНТ; а) n-GaP ННК/силиконовая матрица б) p-GaP ННК/силиконовая матрица.
Для мембраны n-GaP ННК/силиконовая матрица наблюдался выраженный нелинейный ВАХ, соответствующий формированию барьера Шоттки на интерфейсе n-GaP ННК/ОУНТ. Для мембраны p-GaP/силиконовая матрица наблюдалась более линейная зависимость в сравнении со структурой n-GaP/силиконовая матрица. Плотность тока структур была оценена на уровне 4 мА/см2 и 400 мА/см2 для n-GaP/силиконовая матрица и р-GaP/силиконовая матрица, соответственно.
На рисунке 4 приведена ВАХ мембраны n-GaP/силиконовая матрица с сформированным ФСР электродом.
Рисунок 4. ВАХ мембраны n-GaP/силиконовая матрица с ФСР электродом.
Показано, что такие электроды имеют малое число свободных носителей заряда в проводящем полимере, что приводит к низкой плотности тока (0.6 мА/см2), протекающего через структуру. Для повышения уровня проводимости полимерных электродов и обеспечения эффективного транспорта электрического заряда в преполимерном геле ФСР диспергировались многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ). Исследование электронных характеристик такого электрода, сформированного к мембране n-GaP ННК/силиконовая матрица, показало, что добавление МУНТ в количестве 2% от массы ФСР приводит к увеличению плотности тока до 20 мА/см2 (рисунок 5), за счет увеличения количества свободных носителей заряда.
Рисунок 5. ВАХ мембраны n-GaP ННК/силиконовая матрица с диспергированным МУНТ в ФСР электроде, выступающего в качестве верхнего контакта, и слоев ОУНТ в качестве нижнего.
Определено, что причиной нелинейности ВАХ является более высокая работа выхода углеродных нанотрубок по сравнению с уровнем Ферми n-GaP ННК, что приводит к формированию электрического контакта с барьером Шоттки на интерфейсе n-GaP/ФСР с МУНТ.
В завершении главы продемонстрировано, что разработанные методики инкапсуляции массивов ННК, контролирования толщины мембран, отделения от ростовой подложки и формирования электродов позволяют создавать гибкие мембраны А3В5 ННК/силиконовая матрица с прозрачными и/или полупрозрачными электродами на основе слоев ОУНТ, слоев металлов Cr/Au/Cr и проводящих полимеров на основе ФСР. Исследования электронных свойств структур на интерфейсе электрод/А3В5 ННК продемонстрировали стабильность электрического контакта и отсутствие шунтирования между электродами.
В главе 3 представлены результаты создания и исследования электронных и оптических свойств светодиодных мембран А3В5 ННК/силиконовая матрица. В первой части главы проведено моделирование полупроводниковых гетероструктур GaP/GaPAs ННК, излучающих свет в красной области спектра. Результаты численного моделирования процессов электролюминесценции GaP/GaPAs ННК c p-i-n аксиальной структурой в зависимости от элементного состава, концентрации легирующих примесей, диаметра и длины ННК представлены на рисунке 6.
Рисунок 6. Зависимость квантовой эффективности, КПД светодиодной структуры и температуры активной области от состава твердых растворов. активной и эмиттерных областей (а, б, в), длины ННК и толщины активной области (г, д, е).
Продемонстрировано, что оптимальными параметрами для светоизлучающих структур, работающих в красной спектральной области, являются: полная длина ННК 4 мкм, толщина GaPAs вставки 100 нм, радиус ННК 100 нм, состав твердого раствора активной области по фосфору 0.2, состав эмиттерных областей - 0.4, уровень легирования эмиттерных областей 1018 см-3, легирование активной области n-типом с уровнем 1016 см-3. Показано, что содержание 0.2 фосфора в составе твердого раствора эмиттеров по отношению к составу активной области достаточно для минимизации обратного захвата эмиттерными областями носителей заряда, попавших в активную область. Для минимизации потерь энергии носителями заряда при переходе из эмиттеров в активную область необходим следующий состав эмиттеров и активной области: состав активной области по фосфору в диапазоне от 0 до 0.3, состав эмиттеров должен содержать на 0.15-0.25 фосфора больше, по сравнению с составом активной области. При составе активной области 0.3-0.45, эмиттеры должны содержать 0.45-0.7 фосфора. Анализ температурной карты показал, что в диапазоне составов, отвечающих максимальному КПД структуры, температура активной области не превышает 70о, что является приемлемым для работы светодиода. Рассмотрено влияние поверхностных состояний в ННК длиной 2 мкм, толщиной активной области 60 нм и радиусом 100 нм на работу светодиодной структуры (рисунок 7).
Рисунок 7. Зависимость квантовой эффективности светодиодной структуры от толщины и уровня легирования поверхностного пассивирующего слоя.
Рассмотрено влияние пассивирующих слоев “ядро-оболочка” на режим работы светодиодной структуры. Добавление пассивирующего слоя позволяет предотвратить рекомбинацию носителей заряда в активной области на поверхности ННК и позволяет получить квантовую эффективность на уровне 72%. Проведенное моделирование демонстрирует возможность создания структуры на основе твердого раствора GaP/GaPAs, излучающей в оптическом диапазоне 620-870 нм.
Исследование электронных свойств созданных гибких светодиодных мембран GaP/GaPAs ННК/силиконовая матрица с электродами на основе ОУНТ выявило, что напряжение открытие диодной структуры составляет 7 В при прямом смещении и 2.5 В при обратном смещении (рисунок 8а). Тогда как на контрольном образце, находящемся на жесткой Si подложке, напряжения открытия на прямых и обратных ветвях составляли -5 В и 7.5 В, соответственно (рисунок 8б).
Рисунок 8 Вольт-амперные характеристики а) светодиодная мембрана GaP/GaPAs ННК /силиконовая матрица, б) светодиодная структура GaP/GaPAs на твердой подложке.
Такая разница объясняется более высоким потенциальным барьером на интерфейсе р-GaP/Si подложка, в отличии от интерфейса ОУНТ/р-GaP. Рабочие плотности токов гибкой светодиодной мембраны были оценены на уровне 50 А/см2 (4 нА/ННК), что в 5 раз меньше, чем у светодиодной структуры на жесткой подложке (250 А/см2 и 20 нА/ННК).
Оптические измерения мембраны GaP/GaPAs ННК/силиконовая матрица продемонстрировали электролюминесценцию в красной области спектра с основной линией на длине волны 670 нм (рисунок 9), что соответствует ширине запрещенной зоны активной области GaP1-xAsx при х=0.35.
Рисунок 9. Спектр электролюминесценции светодиодной мембраны GaP/GaPAs ННК/силиконовая матрица.
Во второй части главы представлены результаты по созданию и исследованию растяжимых на 20% светоизлучающих мембран GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица с нечувствительными к растяжениям электродами на основе слоев ОУНТ. Гетероструктуры GaN/InGaN обладали линией электролюминесценции света в синей области спектра.
Продемонстрирован способ формирования растяжимых электродов из ОУНТ за счет предварительного предрастяжения мембран GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица. Исследования электронных свойств структуры в зависимости от растяжения продемонстрировали стабильность электрического контакта при растяжении светодиодной мембраны GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица (рисунок 10 а). При первоначальных измерениях ВАХ ток светодиодной структуры составлял 0.25 мА при приложенном напряжении 8 В, после первого растяжения на 20% наблюдалось уменьшение тока до 0.2 мА, однако последующие циклы растяжений на такую же величину не приводили к дальнейшему снижению тока. Кроме того, показано, что напряжение открытия барьера равное 5 В остается неизменным на протяжении всех циклов измерений. Плотность тока такой структуры оценена на уровне 10 А/см2.
Рисунок 10. а) ВАХи растяжимой светодиодной мембраны в начале измерений (красная линия), при растяжении на 20% (синяя линия) и в релаксированном состоянии (черная линия), б) рабочие напряжения во время стресс-теста мембраны.
Также в работе исследовано влияние многократного растяжения светодиодной мембраны при 20 циклах растяжений на 10% на напряжении светодиода, обеспечивающего протекания рабочего токе 0.4 мА. Показано, что после 20 циклов растяжений наблюдалось увеличение данного напряжения на 15% в растянутом состоянии, однако в релаксированном состоянии мембрана показывала изначальное значение напряжения (рисунок 10 б).
Оптические измерения прозрачности светодиодной мембраны GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица продемонстрировали интегральную прозрачность на уровне 43%, что связано с поглощением света на верхних и нижних электродах из слоев ОУНТ. В качестве референсного образца служила стеклянная подложка (рисунок 11).
Рисунок 11. Спектральная зависимость прозрачности растяжимого светодиода (красная линия), нормированная на пиковое значение спектра пропускания референсной стеклянной подложки.
Исследована интенсивность электролюминесценции светодиодной мембраны GaN/InGaN ННК/силиконовая матрица в зависимости от растяжения при фиксированных рабочих напряжениях 10 В, 11 В и 12 В. Основной пик электролюминесценции находился на 450-460 нм, что соответствовало синей области спектра, и не изменялся при растяжении на 20%. Данные результаты свидетельствуют о высокой стабильности растяжимой светодиодной мембраны GaN/InGaN/силиконовая матрица.
В заключении работы приведены основные результаты работы:
Цитируемая литература
1. Kim K.-H. et al. Phosphorescent dye-based supramolecules for high-efficiency organic light-emitting diodes //Nat. Commun. 2014, 5, 4769.
2. Schlingman, K. et al. //25 years of light-emitting electrochemical cells: A flexible and stretchable perspective. Adv. Mater. 2021, 33, 2006863.
3. H. Cho, et al. Highly flexible organic light-emitting diodes based on ZnS/Ag/WO3 multilayer transparent electrodes //Organic Electron., vol. 10, no. 6, pp. 1163–1169, 2009.
4. S.-M. Lee, et al. //Low resistive transparent and flexible ZnO/Ag/ZnO/Ag/WO3 electrode for organic light-emitting diodes, Organic Electron., vol. 13, no. 9, pp. 1654–1659, 2012.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
A1. Neplokh, V. et al. Modified silicone rubber for fabrication and contacting of flexible suspended membranes of n-/p-GaP nanowires with a single-walled carbon nanotube transparent contact / Kochetkov, F., Deriabin, K., Fedorov, V., Bolshakov, A., Eliseev, I., Mikhailovskii, V., Ilatovskii, D., Krasnikov, D., Tchernycheva, M., Cirlin, G., Nasibulin, A., Mukhin, I. and Islamova, R. // J. Mater. Chem. C - 2020 - ,8, 3764-3772
A2. Koval, O. et al. Structural and Optical Properties of Self-Catalyzed Axially Heterostructured GaPN/GaP Nanowires Embedded into a Flexible Silicone Membrane / Fedorov, V., Bolshakov, A., Fedina, S., Kochetkov, F., Neplokh, V., Sapunov, G., Dvoretckaia, L., Kirilenko, D., Shtrom, I., Islamova, R., Cirlin, G., Tchernycheva, M., Serov, A. and Mukhin, I. // Nanomaterials, 10(11), p.2110.
A3. Kochetkov, F. et al. Fabrication and electrical study of large area free-standing membrane with embedded GaP NWs for flexible devices / Neplokh, V., Fedorov, V., Bolshakov, A., Sharov, V., Eliseev, I., Tchernycheva, M., Cirlin, G., Nasibulin, A., Islamova, R. and Mukhin, I. // Nanotechnology, 31(46), pp.46LT01.
A4. Kochetkov, F et al. Stretchable Transparent Light-Emitting Diodes Based on InGaN/GaN Quantum Well Microwires and Carbon Nanotube Films / Neplokh, V., Mastalieva, V., Mukhangali, S., Vorob’ev, A., Uvarov, A., Komissarenko, F., Mitin, D., Kapoor, A., Eymery, J., Amador-Mendez, N., Durand, C., Krasnikov, D., Nasibulin, A., Tchernycheva, M. and Mukhin, I // Nanomaterials, 11(6), p.1503.
A5. Mukhangali, S. et al. Processing and characterization of GaP nanowires encapsulated into a PDMS large-scale membrane for flexible optoelectronics / Neplokh, V., Kochetkov, F., Fedorov, V., Nasibulin, A., Makarov, S., Islamova, R. and Mukhin, I // Journal of Physics: Conference Series, 2086(1), p.012093.
A6. Neplokh, V. et al. Red GaPAs/GaP Nanowire-Based Flexible Light-Emitting Diodes / Fedorov, V., Mozharov, A., Kochetkov, F., Shugurov, K., Moiseev, E., Amador-Mendez, N., Statsenko, T., Morozova, S., Krasnikov, D., Nasibulin, A., Islamova, R., Cirlin, G., Tchernycheva, M. and Mukhin, I // Nanomaterials, 11(10), p.2549.
A7. Mukhangali, S. et al. Light-emitting p-i-n GaP/GaPAs NW encapsulated in a flexible PDMS membrane / Neplokh, V., Kochetkov, F., Moiseev, E., Miroshnichenko, A., Deriabin, K., Nasibulin, A., Islamova, R. and Mukhin, I // Journal of Physics: Conference Series, 2103(1), p.012178.
A8. Miroshnichenko, A. et al. Flexible Perovskite CsPbBr3 Light Emitting Devices Integrated with GaP Nanowire Arrays in Highly Transparent and Durable Functionalized Silicones / Deriabin, K., Baeva, M., Kochetkov, F., Neplokh, V., Fedorov, V., Mozharov, A., Koval, O., Krasnikov, D., Sharov, V., Filatov, N., Gets, D., Nasibulin, A., Makarov, S., Mukhin, I., Kukushkin, V. and Islamova, R. // The Journal of Physical Chemistry Letters, 12(39), pp.9672-9676.
A9. Kochetkov, F. et al. Modified silicone rubbers for fabrication and contacting of flexible suspended membranes of n-/p-GaP nanowires with single-walled carbon nanotube transparent contact / Neplokh, V., Fedorov, V., Bolshakov, A., Cirlin, G., Islamova, R. and Mukhin, I // Journal of Physics: Conference Series, 1695(1), p.012010.
Дата добавления: 2022-07-02; просмотров: 96; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!