Создание композитных светопреобразующих материалов для дисплейных и осветительных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Создание композитных светопреобразующих материалов для дисплейных и осветительных систем

Специальности 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

05.17.06 -Технология и переработка полимеров и композитов

На правах рукописи

Заярский Дмитрий Александрович

Саратов - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» и в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Байбурин Вил Бариевич;

доктор химических наук, доцент Горин Дмитрий Александрович.

Официальные оппоненты: Попов Вячеслав Валентинович доктор физико-математических наук, профессор, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН;

заведующий лабораторией нанофотоники Козырев Антон Андреевич кандидат технических наук, ОАО «Инжект» г. Саратов, старший технолог.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 25 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Димитрюк А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Повышение сроков службы и энергоэффективности дисплейных и осветительных систем является одной из актуальных задач современной электроники. Мировой рынок дисплеев на сегодняшний день представлен жидкокристаллическими дисплеями (LCD) и дисплеями на основе органических светодиодов (OLED), однако обе эти технологии имеют целый ряд недостатков, среди которых основными являются низкая деградационная устойчивость материалов и сложность технологии изготовления готовых устройств. Одним из способов решения этих задач является использование инновационных композитных материалов на основе нано- и микрочастиц, в том числе люминофоров, имеющих как органическую, так и неорганическую природу. Это обусловлено широкими возможностями применения данных композитов в электронике, в первую очередь для создания систем отображения информации и осветительных систем, а также диодных и транзисторных структур, применяемых для целей управления режимами работы дисплеев.

Вопросы создания композитных материалов и органических люминофоров для светоизлучающих и светопреобразующих устройств освещены в работах Калиновской И.В., Якиманского А.В., Кое-Сулиана С. В частности, в работах Калиновской И.В. предложены композиты на основе полиэтилена высокого давления с включениями микрочастиц органических люминофоров на основе европия для применения в светопреобразующих системах и системах отображения информации. В работах группы Якиманского А.В. и Александровой Д.И. описываются полимерные и мономерные люминофоры, обладающие высокими интенсивностями люминесценции. В работах Кое-Сулиана С. описывается включение квантовых точек CdSe в полимерный матрикс органического светодиода.

Вместе с тем предлагаемые материалы имеют низкую устойчивость к агрегации и деградации, и, как следствие, формирование структур на их основе технически достаточно трудоемко.

Низкая устойчивость к агрегации, в частности, не позволяет создавать наночастицы люминесцентных материалов органической природы, что затрудняет формирование нанокомпозитов, их содержащих. Необходимость применения сложных процессов нанесения композитов и люминофоров с использованием вакуумных технологий делает приборы дорогостоящими. Низкая деградационная устойчивость материалов не позволяет создавать долгоживущие, светоизлучающие и светопреобразующие структуры и приборы на их основе.

Таким образом, на основе вышеизложенного можно сформулировать основную цель данного исследования: разработка технологии формирования композитных материалов на основе нано- и микрочастиц люминофоров для дисплейных и осветительных систем, обладающих необходимым разрешением, низким энергопотреблением и длительными сроками службы.

Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:

· Создание композитных материалов на основе полимерного матрикса, содержащего микрочастицы люминофоров, изучение распределения частиц люминофора в матриксе, а также влияния матрикса на цветопередачу и деградационную стойкость композитов.

· Формирование слоистых структур на основе композитов, содержащих три-8-оксихинолин алюминия (Alq3) в полимерном матриксе методом полива и центрифугирования, изучение их электрофизических свойств.

· Разработка методики формирования структур «ядро - оболочка», в которых в качестве «ядра» использованы микрочастицы органических люминофоров, а «оболочка» представлена полиэтиленимином и поли (стиролсульфонатом) натрия. Изучение процессов электрофоретического осаждения полученных структур.

Объекты исследования:

Светопреобразующие покрытия на основе поливинилхлорида (ПВХ), поликарбоната (ПК), полиметилметакрилата (ПММА), содержащие мелкодисперсные образования изохинолин-1-карбоксилата европия с натрием (NaEu(isoquin)4) и три-8-гидроксихинолината алюминия (Alq3).

Диодные структуры, состоящие из индий-оловянного оксида (ITO), органического покрытия, включающего поли(3,4-этилендиокситиофен): поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS), поли(9-винилкарбазол) (PVK), допированный Alq3, а также композитных контактов на основе алюминия, кальция и Alq3, сформированных методом полива и центрифугирования со следующей последовательностью слоев: ITO/PEDOT:PSS/PVK:Alq3/контакт.

Структуры «ядро - оболочка» на основе микрочастиц NaEu(isoquin)4 и Alq3, выступающих в качестве «ядра» и обладающих люминесцентными свойствами, а также полиэлектролитов, образующих «оболочку».

Методы исследования: спектроскопия комбинационного рассеяния (КР), конфокальная микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия (AСM), измерение вольт-амперных характеристик на постоянном токе.

Научная новизна полученных результатов:

1. Предложена схема дисплея, пиксел которого состоит из трех ультрафиолетовых светодиодов, каждый из которых возбуждает свой люминофор в светопреобразующем композите. Таким образом, достигается значительное увеличение разрешающей способности экрана и повышается его энергоэффективность, КПД преобразования излучения.

2. Разработана методика формирования композитных покрытий, отличающаяся тем, что в полимерные матрицы (ПВХ, ПК, ПММА) включаются нано- и микроразмерные агрегаты люминофоров органической (Alq3 и NaEu(isoquin)4) и неорганической природы на основе селенида кадмия (ФК-7, ФК-2), обладающих селективной фото- и катодолюминесценцией, а также устойчивых к фотодеградации при лазерном и УФ излучении.

3. Создана система подсветки растений на основе композитного светопреобразующего материала и светодиодного модуля возбуждения, обладающая энергопотреблением, меньшим на 25 % относительно аналогов, и большим сроком службы.

4. Подобраны и внедрены составы и технологические режимы нанесения покрытий PVK:Alq3, PEDOT:PSS методом полива и центрифугирования. Путем измерения электрофизических характеристик сэндвич-структур на основе исследуемых покрытий определен оптимальный материал контакта для формирования структур ITO/PEDOT:PSS/PVK:Alq3/проводящее покрытие. Изучено влияние допанта на электропроводность и оптические свойства слоя PVK:Alq3.

5. Разработана методика формирования структур «ядро - оболочка» на основе суспензий Alq3 и NaEu(isoquin)4 поверхность которых была модифицирована полимерными молекулами, обладающих люминесцентными свойствами, а также показана возможность их электрофоретического осаждения на алюминиевый электрод при постоянном токе, что позволяет переносить субмикронные функциональные элементы (диспергированные в воде) на металлические контакты с целью формирования различных электронных приборов и устройств.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Схема пикселя на основе нового светопреобразующего композитного материала и светодиодного модуля, позволяющая повысить разрешение за счет уменьшения числа структурных элементов пиксела.

2. Люминесцентный композитный материал, обладающий деградационной стойкостью к оптическому излучению, а также спектром люминесценции, близким к спектру поглощения хлорофилла.

3. Режим формирования многослойных структур на основе сопряженных полимеров и органических люминесцентных материалов, позволяющий создавать электропроводящие покрытия толщиной порядка
100-130 нм, и изготовленный ряд многослойных структур, содержащих трис(8-гидроксихинолин) алюминия, обладающих асимметричной ВАХ, которые могут быть использованы при формировании активных матриц дисплеев.

4. Методика формирования композитных люминесцентных покрытий на основе микрочастиц («ядро») трис(8-гидроксихинолина) алюминия с наноразмерной полиэлектролитной «оболочкой», путем электрофоретического осаждения, и получена зависимость массопереноса структур «ядро - оболочка» от напряженности электрического поля.

Практическая значимость работы

Композитные покрытия на основе полимерной матрицы с включенными мелкодисперсными образованиями люминофоров Alq3 и NaEu(isoquin)4 использованы для формирования устойчивых к деградации гибридных светоизлучающих устройств с продолжительным сроком службы и высокой разрешающей способностью, основанных на принципе переизлучения света.

Полученные структуры «ядро - оболочка», обладающие фото-, электро- и катодолюминесцентными свойствами, предназначены для применения в электронике в качестве функциональных элементов, самостоятельных пикселей или систем преобразования света в зависимости от материалов «ядра» и «оболочки».

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоял в разработке новой конструкции пиксела светоизлучающего дисплея, создании композитных материалов и методик их формирования и нанесения, связанных с получением покрытий, созданием структур и разработкой методики создания структур «ядро - оболочка», исследованием их оптических, электрофизических свойств, морфологии поверхности, анализе полученных результатов и подготовке публикаций.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях: International symposium «Advanced Display Technologies» (ADT`06), Москва 2006 (устный доклад), International symposium «Advanced Display Technologies» (ADT`10), Санкт-Петербург, 2010 (устный доклад, стендовый доклад), International conference for young researchers «Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems», Санкт-Петербург, 2006 (устный доклад), International conference for young researchers «Wave electronics and its applications in the information and telecommunication systems», Санкт-Петербург, 2008 (устный доклад), International school for junior scientists and students on optics, laser physics and biophotonics (SFM`06), Саратов, 2006 (устный доклад), Всероссийская конференция «Наноэлектроника и нанофотоника», Саратов, 2010 (устный доклад), Саратовский областной конкурс инновационных идей, Саратов, 2010 (диплом третьей степени), Форум «Российским инновациям Российский капитал», Оренбург 2011, 23-я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Крым, 2013.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи в журналах из списка ВАК РФ, 1 статья в зарубежном издании и 10 тезисов докладов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, определён объект исследования, указаны положения, выносимые на защиту, определены научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Даны сведения о публикациях и апробации работы.

Глава 1. Первая глава состоит из двух разделов. В первом разделе показано влияние структуры комплексов на их электрофизические и спектральные характеристики. Приведены механизмы возбуждения катодо-, электро- и фотолюминесценции в изучаемых структурах.

Во втором разделе рассматриваются различные структуры светодиодов на основе сопряженных полимеров и координационных соединений металлов, а также вопросы допирования полимеров координационными соединениями металлов и наноразмерными объектами.

Глава 2. Вторая глава посвящена формированию и исследованию композитных покрытий на основе полимерных матриц поливинилхлорида, поликарбоната и полиметилметакрилата с включенными в них молекулярными образованиями люминофоров органической (Alq3 и NaEu(isoquin)4) и неорганической природы (ФК-2 и ФК-7). Изучено влияние типа полимерной матрицы на спектральные характеристики и процессы фотодеградации, происходящие в композитах. Предложена модель пиксела дисплейной системы, работающей на преобразовании ультрафиолета в видимый свет, а также описывается создание лампы подсветки культурных растений на основе созданных светопреобразующих материалов.

Для создания композитных светопреобразующих покрытий предложена следующая технология: растворение полимерного матрикса в органическом растворителе (тетрагидрофуране или хлороформе), смешивание в заданных пропорциях с суспензией органических и неорганических люминофоров, перенос полученной смеси на стеклянные подложки и сушка образцов при комнатной температуре в вытяжном шкафу.

Исследованы спектральные характеристики покрытий, сформированных на основе ПВХ, ПК и ПМА с добавлением дисперсных образований люминофоров: NaEu(isoquin)4 и Alq3. Показано, что не происходит перекрытия спектральных зависимостей оптической плотности полимеров и люминофоров. Для увеличения рассеяния и улучшения цветопередачи композитные покрытия были допированы микрочастицами карбоната кальция. Оказалось, что даже при малом содержании рассеивающих частиц (порядка 1% по массе полимера) насыщенность цветов значительно увеличивается.

Изучение спектров возбуждения и фотолюминесценции композитов (рис. 1) также не выявило влияния полимерных матриц ПВХ, ПК и ПММА на спектральные характеристики люминофоров.

а

б

Рис. 1. Спектры а) фотолюминесценции и б) возбуждения полимерных материалов допированных Alq3 и NaEu(isoquin)4

Спектральные кривые практически одинаковы, сдвиги максимумов люминесценции (рис. 1а) и возбуждения люминесценции (рис. 1б) отсутствуют. Это свидетельствует об отсутствии влияния материала матрицы на микро и наночастицы люминофоров. Кроме того, данное исследование позволило показать возможность селективной активации того или иного люминофора в смеси дисперсных образований, встроенных в полимерную матрицу.



Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рис. 2. РЭМ в режиме анализа катодолюминесценции для полимерных пленок допированных NaEu(isoquin)4 а) ПК, б) ПВХ

Анализ распределения дисперсных образований люминофоров в полимерной матрице проводился при помощи сканирующей электронной микроскопии, в режимах анализа вторичных рассеянных электронов и катодолюминесценции. Наиболее равномерное распределение люминофора в полимере наблюдалось в матрице на основе ПК. На фотографиях катодолюминесценции пленок ПК (рис. 2а) наблюдается равномерное свечение всей области сканирования в отличие от ПВК и ПММА матриц, где люминесценция сосредоточена в отдельных областях - зернах люминофоров (рис. 2б).

Такое распределение можно объяснить схожей (полициклической) структурой полимера и люминофора. При их растворении и последующем испарении растворителя вероятность встраивания молекул люминофора между полимерными цепями матрицы более высока, чем в случае линейных цепей ПВХ и ПММА. По результатам анализа катодолюминесценции можно полагать, что люминофор распределен по всему объему полимера во всех трех композитах, так как плотность распределения люминесцирующих частиц велика во всех композитах.

Для оценки долговечности композитных материалов были проведены исследования процессов фотодеградации люминесцентных композитных покрытий на основе ПВХ, ПММА и ПК под действием УФ и лазерного излучения. С образцов, подвергшихся облучению, записывались спектральные характеристики и исследовалась зависимость максимальной интенсивности свечения от времени облучения. Расчёт значений постоянных времени деградации (время, за которое интенсивность люминесценции падает в e раз) для каждого композита представлен табл. 1 и 2.

Таблица 1. Постоянная времени деградации для исследуемых композитов. Облучение проводилось при помощи лампы ДРЛ-400

Материал	ПВХ	ПК	ПМА
Alq3	1128 мин	960 мин	395 мин
NaEu(isoquin)4	240 мин	324 мин	-

Таблица 2. Постоянная времени деградации для исследуемых композитов. Облучение проводилось при помощи лазера 473 нм

Материал	Чистый люминофор	ПК	ПВХ
Alq3	11,4 мин	6,9 мин	6,3 мин
NaEu(isoquin)4	15,8 мин	11,1 мин	10,2 мин

Облучение ФУ велось при помощи лампы ДРЛ-400. Лазерное облучение велось при помощи лазера с длиной волны 473 нм и плотностью мощности 35 мВт (диаметр области фокального пятна порядка 300 нм)
(табл. 2). Максимальной деградационной стойкостью обладают покрытия на основе ПК и ПВХ, для которых постоянная времени деградации по итогам испытаний превосходит аналоги на 20%, а срок службы превышает срок службы чистого Alq3 в 10 раз.

Таким образом, полученный композитный материал на основе поликарбоната с включенными в него частицами Alq3 и NaEu(isoquin)4 позволяет создавать дисплейные системы с длительным сроком службы. При этом простота изготовления и нанесения на поверхность светодиодной ультрафиолетовой матрицы позволяет снизить стоимость конечного изделия. Кроме того, сам полимерный композит является ударопрочным и устойчивым к истиранию покрытием и способен защитить светодиодную матрицу от внешних повреждений, о чем свидетельствуют результаты измерений прочностных характеристик и упругих деформаций.

Полученные результаты позволяют предложить следующий концептуальный принцип нового класса дисплейных систем, каждый пиксел которых состоит из трех ультрафиолетовых светодиодов с узким пиком излучения, отличающихся небольшим сдвигом максимума излучения, а излучение светодиодов преобразуется в видимый свет композитным материалом. Изменяя интенсивность люминесценции светодиодов, можно плавно и с высокой точностью корректировать цвет свечения каждого пиксела, а его малый размер позволит повысить разрешение минимум в 3 раза относительно LCD и OLED дисплеев.

Глава 3. Третья глава посвящена созданию системы подсветки культурных растений, обладающей спектром люминесценции, соответствующим спектру поглощения растений и основанной на композитном светопреобразующем материале и светодиодном УФ модуле возбуждения.

Для создания такой системы подсветки были проведены исследования по созданию композитных светопреобразующих материалов, в состав которых вошли неорганические люминофоры ФК-2 и ФК-7, а также Alq3, что позволило внести в спектр композита красную (660 нм) и синюю (440 нм) составляющие. Люминофоры были внесены в полимерную матрицу на основе полиметилметакрилата. Концентрации люминофоров были подобраны таким образом, чтобы результирующий спектр композита соответствовал спектру поглощения зеленых растений. Светопреобразующий композитный материал использовали для создания прототипа системы подсветки растений. Полученный композитный материал был подвергнут исследованию деградационной стойкости. При этом значение постоянной времени деградации составило 42 минуты при действии лазерного излучения с плотностью мощности 35 мВт, в то же время в пересчете на мощность, излучаемую УФ светодиодом, постоянная времени деградации составит 600 тысяч часов. В качестве энергоэффективной системы УФ подсветки для композитного материала был применен светодиодный модуль с потребляемой мощностью 14 Вт.

Исследование влияния преобразованного света на живые системы проводилось на одноклеточной зеленой водоросли Хлорелла (Chlorella), так как в состав ее клеток входят несколько видов хлорофилла. В качестве питательной среды для разведения водоросли применялась среда Томия. Сравнение прироста биомассы водорослей проводили при освещении с использованием обычных систем подсветки на основе люминесцентных фитоламп и созданного прототипа. По истечении 14 дней выращивания культуры оптическая плотность суспензии Хлореллы, подвергшейся освещению лампой-прототипом, в 2 раза превышала контроль, при этом масса микроорганизмов в экспериментальной суспензии превысила массу контрольных микроорганизмов и составила 9 мг/мл.

Глава 4. Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований диодных структур типа ITO/Полимер:Допант/Металл, предназначенных для применения в активных матрицах, управляющих работой дисплеев и индикаторов.

Данные структуры создавались методом полива и центрифугирования. Шероховатость и толщину полученных композитных покрытий оценивали методами атомно-силовой микроскопии и эллипсометрии. Получена зависимость шероховатости и толщины слоев дырочно-транспортного полимерного композита PEDOT:PSS и электронно-транспортного материала PVK от частоты вращения центрифуги. Оценены значения оптической плотности для ряда толщин покрытия PEDOT:PSS в диапазоне длин волн 350-800 нм, так как видимый свет, излучаемый светодиодами, находится именно в этом диапазоне. Результаты измерений толщины сформированных покрытий представлены в табл. 3.

светодиодный композит подсветка спектральный

Таблица 3. Связь основных параметров полимерных покрытий и режимов их нанесения

N, об/мин	Толщина покрытия, эллипсометрия L, нм	Толщина покрытия, АСМ L, нм	Шероховатость Sср, нм
PEDOT:PSS
1000	235	277	21
2000	180	170	23
3000	95	110	20
PVK
1500	165	180	0,16
2000	115	120	0,1
2500	70	90	0,2

В результате данных исследований были подобраны оптимальные режимы для нанесения сопряженных полимеров. Водный раствор PEDOT:PSS во всех дальнейших экспериментах наносили при скорости вращения 2000 оборотов, после нанесения образцы сушили под вакуумом 3·10-2 Па в течение суток. PVK наносили из раствора в хлороформе при тех же условиях. Концентрация используемых растворов составила 10 мг/мл. При необходимости проводили допирование PVK Alq3 путем смешивания их растворов.

Так как PEDOT:PSS нерастворим в хлороформе, показана технологическая возможность нанесения слоя PVK поверх готовых тонких пленок PEDOT:PSS без потери их функциональности.

На рис. 3 приведены ВАХ образцов с различными контактами к PVK как металлическими, так и гибридными, измерение проводили на постоянном токе. Результаты измерений (рис. 3а) показали, что наилучшими контактными свойствами обладают металлы, а именно алюминий, так как через этот контакт протекает максимальный ток. Для всех вариантов контактов были построены энергетические диаграммы для наглядности анализа процессов, происходящих в структурах. Анализируя величину тока на ВАХ, можно предположить, что инжекция электронов из металлов превосходит инжекцию из гибридных контактов, что связано с наличием в композите целого ряда потенциальных барьеров.

а

Размещено на http://www.allbest.ru/

б

Рис. 3. ВАХ тонкопленочных диодных структур ITO/полимер/металл а) подбор контактного материала, б) изучение влияния степени допирования на электрофизические свойства диодных структур

Однако гибридные контакты, помимо инжекции зарядов, в ряде случаев могут выполнять функции запирающих структур, предотвращающих утечку носителей заряда из рабочей области прибора.

При исследовании вольтамперных характеристик PEDOT:PSS в структурах ITO/PEDOT:PSS/Al было установлено, что данные структуры имеют диодную ВАХ с ярко выраженным выпрямлением на контакте. При замене алюминиевого электрода на серебряный, значения электрического тока значительно выросли (в 4-5 раз). Таким образом, можно сделать вывод, что выпрямление происходит именно на контакте Металл/PEDOT:PSS.

В ходе исследований было установлено, что интенсивность люминесценции нелинейно зависит от концентрации люминофора в композитном материале. При содержании в композите 30% люминофора интенсивность составляет 70% интенсивности люминесценции чистого люминофора, с уменьшением содержания люминофора до 10% интенсивность падает до 50%.

Анализ ВАХ структур ITO/PEDOT:PSS/PVK:Alq3/Al показал, что с увеличением содержания Alq3 в PVK электропроводность диодной структуры резко уменьшается. Так, отношение электрического тока при 10% концентрации к току при 30% концентрации допанта равно 40, то есть при увеличении содержания люминофора в полимере его электропроводность падает в 40 раз (рис. 3б), что связано с изменением механизма транспорта носителей в композите.

Таким образом, в ходе исследований оптимизирован состав композитного материала на основе PVK, допированного Alq3, предназначенного для создания управляющих транзисторов и диодов для дисплейных систем.

Глава 5. Пятая глава посвящена исследованию процесса создания структур «ядро - оболочка» на основе дисперсных образований NaEu(isoquin)4 и Alq3, а также изучению закономерностей электрофоретического осаждения этих структур в постоянном электрическом поле.

Полученные в этой главе структуры «ядро - оболочка» представляют собой фотолюминесцентные структуры. Вещества, из которых состоит «ядра», обладают и электролюминесценцией, по этой причине применение данной технологии может позволить сформировать суспензию микрочастиц, которую можно использовать для формирования пикселей, используя метод электрофореза.

В работе представлены методики формирования нескольких типов структур «ядро - оболочка»:

• «Ядра» - микрочастицы CaCO3; оболочка - PAH/PSS (различное число бислоев)

• «Ядра» - мелкодисперсные образования Alq3; оболочка - PEI

• «Ядра» - мелкодисперсные образования Alq3; оболочка - PEI/PSS

• «Ядра» - мелкодисперсные образования NaEu(isoquin)4; оболочка - PEI

• «Ядра» - мелкодисперсные образования NaEu(isoquin)4; оболочка - PEI/PSS

• «Ядра» - микрочастицы CaCO3; оболочка - PEI с внесенными в полиэлектролит частицами Alq3

Путем измерения значения электрокинетического потенциала микрочастиц доказано нанесение полиэлектролитных слоев противоположного знака заряда на поверхность микрочастиц - «ядер». Исследование спектров люминесценции структур «ядро - оболочка» доказывает сохранение способности к свечению при фотовозбуждении. При этом в случае смешивания NaEu(isoquin)4, растворенного в смеси этанол/вода в отсутствие PEI, полное тушение люминесценции наблюдалось в течение 15 минут, для Alq3 это время составляло 45-60 минут. Формирование на поверхности «ядра» «оболочки» полиэтиленимина позволило сохранить люминесцентные свойства полученных структур на срок более 5000 часов в воде. Кроме того, у покрытий, сформированных из водных дисперсии структур «ядро - оболочка», не происходит изменения спектральных характеристик люминесценции.

Экспериментальное изучение процесса электрофоретического осаждения структур «ядро - оболочка» показало возможность осаждения структур на электрод, заряженный противоположно знаку заряда оболочки. Массоперенос в постоянном электрическом поле линейно зависит от напряженности электрического поля. Для структуры Alq3/PEI был произведен расчет эффективной электрофоретической подвижности (Uэф): по величине электрокинетического потенциала и по зависимости массы вещества, осевшего на электроде, от напряженности электрического поля. Значения Uэф, составили 24·10-9 м2/Вс и 27·10-9 м2/Вс, соответственно. Затем был произведен теоретический расчет массопереноса в зависимости от напряженности электрического поля. Результаты практических и теоретических исследований приведены на рис. 4. Обе зависимости имеют линейный характер и небольшую разницу в значениях массы вещества, осевшего на электроде. Данная погрешность объясняется тем, что в теоретической модели не учитывается масса вещества, сорбировавшегося на электроде без действия электрического поля.

Кроме того, измерение интенсивности люминесценции на поверхности электродов, участвовавших в нанесении, также свидетельствует о различиях в массопереносе люминесцентного вещества (рис. 5).

Помимо всего прочего, изучалась зависимость массопереноса структур «ядро - оболочка» от времени осаждения и от числа бислоев полиэлектролитов (значения электрокинетического потенциала) в постоянном электрическом поле.



Рис. 4. Зависимость массы структур «ядро - оболочка», адсорбированных на электроде, от напряженности электрического поля: (_) экспериментальная зависимость и (¦) теоретический расчет на основании величины эффективной электрокинетической подвижности структур «ядро - оболочка»

Рис. 5. Спектральные зависимости интенсивности фотолюминесценции для образцов покрытий, полученных при различных напряженностях электрического поля при электрофоретическом осаждении структур Alq3/PEI (¦) 0 кВ/м, (_) 2 кВ/м, (^) 5 кВ/м, (Ў) 10 кВ/м

При малых временах осаждения наблюдалась линейная зависимость массы покрытия от числа бислоев в оболочке и, как следствие, от величины электрокинетического потенциала.

Таким образом, полученные результаты позволяют не только создать дискретные люминесцентные частицы, устойчивые к деградации и к агрегации, но и сформировать из них покрытия заданной толщины на конкретно выбранных металлических контактах. Применение данных структур позволит создавать люминесцентные приборы с высоким разрешением, так как средний размер получаемых структур «ядро - оболочка» составляет 1-2 мкм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена схема дисплейной системы, работающей на принципах преобразования света в многокомпонентном композитном материале, позволяющая значительно повысить разрешение за счет сокращения числа элементов пиксела и КПД устройства благодаря использованию преобразования света вместо его фильтрации.

2. Композитные светопреобразующие покрытия на основе поликарбоната с включенными микро- и наночастицами три-8-оксихинолината алюминия, а также неорганических люминофоров ФК-2 и ФК-7, обладают спектром люминесценции, наиболее близким к спектру поглощения растений, а также максимальными сроками службы, превосходящими остальные композиты в 3 раза.

3. Создана система подсветки растений на основе светопреобразующего композита и светодиодного модуля, излучающая свет, спектральный состав которого наиболее близок к спектру поглощения хлорофилла. Проведенные испытания на одноклеточной зеленой водоросли Хлорелла продемонстрировали двукратное увеличение биомассы в сравнении с обычной фитолампой.

4. Отработана методика формирования покрытий PEDOT:PSS и PVK:Alq3 методом полива и центрифугирования. Получена линейная зависимость толщины покрытий от частоты вращения центрифуги. Оптимизирован технологический режим нанесения композитных полимерных покрытий методом полива и центрифугирования.

5. Изучен ряд металлических и гибридных контактов: Al, Ca:Al, Alq3/Al, Alq3/Ca:Al, Alq3/Ca:Al/Al. Установлено, что минимальное сопротивление для PVK:Alq3 обеспечивает Al.

6. Сформированы структуры «ядро - оболочка» на основе люминесцентных «ядер» Alq3 и NaEu(isoquin)4 с «оболочкой», состоящей из нескольких бислоев поли(этиленимина) / поли(стиролсульфоната) натрия, сохраняющие свои люминесцентные свойства в водной среде.

7. Получены зависимости массы структур «ядро--оболочка», адсорбировавшихся на поверхности металлического электрода, от напряженности электрического поля и рассчитаны значения эффективной электрофоретической подвижности, значения которой составляет 27·10 -9 м2/В·с для расчетов на основе массы покрытия и 24·10 -9 м2/В·с, используя значения электрокинетического потенциала.

Список публикаций по теме исследования

В журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Заярский Д.А. Влияние полимерной матрицы на спектральные характеристики изохинолин-1-карбоксилата европия с натрием / Б.Н. Климов, Д.А. Заярский, К.П. Журавлев, А.М. Захаревич // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. № 3 (48). С. 7-12.

2. Заярский Д.А. Формирование покрытий на основе микрочастиц гидроксихинолина алюминия с наноразмерной полиэлектролитной оболочкой методом электрофоретического осаждения / С.А. Портнов, Д.А. Горин, Д.А. Заярский // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 5. С. 33-37.

В зарубежном издании

3. Zayarskiy D.A. A polymer with built-in charge for increasing the organic diode efficiency / D.A. Fedorkov, V.V. Petrov, B.N. Klimov, O.M. Ruzanov, D.A. Zayarskiy // XV International Symposium on Advanced Display Technologies SPIE. 2007. Proc. of SPIE. Vol. 6637 663705.

В других изданиях

4. Заярский Д.А. Влияние режима осаждения на электрофизические свойства соединений Six C1-x, полученных в ЭЦР СВЧ плазме низкого давления / Р.К. Яфаров, С.Ю. Суздальцев, Д.А. Заярский // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: тр. Девятой Междунар. науч.-техн. конф. Таганрог: Изд-во Таганрог. гос. радиотехн. ун-та, 2004. С. 355-358.

5. Zayarskiy D.A. The organic luminescent display with interior electric field / B.N. Klimov, V.V. Petrov, O.M. Ruzanov, D.A. Fedorkov, D.A. Zayarskiy // 15 International symposium Advanced Display Technologies / РИИС ФИАН. 2006. P. 19.

6. Заярский Д.А. Комплексное исследование пленок стеариновой кислоты на субфазе, содержащей ионы магния / Д.А. Заярский // Труды Научной студенческой конференции физического факультета. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2003. С. 17-20.

7. Zayarskiy D.A. Mathematical model of charge transfer transport in OLED structure / B.N. Klimov, N.P. Abanshin, O.M. Ruzanov, V.V. Petrov, D.A. Zayarskiy // Wave electronics and its application in information and telecommunication system. Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, 2006. P. 44.

8. Zayarskiy D.A. Study of the particularities of the shaping and electrophysical characteristic heterojunction of the type Al/Si/Alq3/Al and Al/Si/CBP/Al / B.N. Klimov, Yu.F. Sclyarov, V.A. Muhina, O.M. Ruzanov, M.S. Boborov, D.A. Zayarskiy // Wave electronics and its application in information and telecommunication system. Ред.-изд. центр ГУАП, 2008. P. 35.

9. Заярский Д.А. Влияние наночастиц золота на спектральные характеристики и морфологию поверхности тонких пленок изохиналин-1-карбоксилата европия с натрием и три-8-оксихинолин алюминия / Б.Н. Климов, Д.А. Заярский, К.П. Журавлев // Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. С. 30-31.

10. Zayarskii D.A. On the modification of metal-organic europium-sodium isoquinoline-1-carboxylate and aluminium tri-8-oxyquinoline complexes by polymers with partly-uncompensated charge and magnetic nanoparticles / B.N. Klimov, D.A. Zayarskii, S.A. Portnov, K.P. Zhuravlyov, A.M. Zakharevich // 15th International workshop on inorganic and organic electroluminescence. СПб.: Изд-во С.-Петерб. гос. технол. ун-та, 2010. P. 243.

11. Zayarskii D.A. Optical and morphologic properties of europium isoquinoline-1-carboxylates in the solid state, solutions, thin films and polymeric matrices / B.N. Klimov, D.A. Zayarsky, K.P. Zhuravlev, S.A. Portnov, V.A. Kudryashova // 15th International workshop on inorganic and organic electroluminescence». СПб.: Изд-во С.-Петерб. гос. технол. ун-та,. 2010. P. 125.

12. Заярский Д.А. Создание композитного светопреобразующего материала с заданным спектром люминесценции для изготовления модулей подсветки культурных растений / В.А. Журвиков, Д.А. Заярский, А.А. Невешкин, В.Б. Байбурин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 23-я Международная Крымская конференция. Севастополь, Украина, 2013. С. 770-771.

13. Заярский Д.А. Спектральные характеристики и морфология поверхности тонких пленок изохинолин-1-карбоксилата европия с натрием и три-8-оксихинолин алюминия с включенными наночастицами золота / В.Б. Байбурин, Д.А. Заярский // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 23-я Международная Крымская конференция. Севастополь, Украина, 2013. С. 859-860.

Размещено на Allbest.ur

...