Ανάπτυξη και μελέτη ιδιοτήτων νανοδομημένων υλικών για φωτονικές εφαρμογές

Abstract

The objective of this dissertation is the growth and properties investigation of nanostructured organic thin films, which are used as emissive layers in solution-processable Organic Light Emitting Diodes (OLEDs). The optical properties of the emissive layers were investigated by NIR-Vis-far UV spectroscopic ellipsometry and the accurate determination of the thickness and the optical constants were also extracted. The photophysical properties were studied via UV-Vis Absorption and Photoluminescence measurements. Especially, the photoluminescence properties of the polymer films were evaluated, revealing the characteristic emission of each material. In addition, the surface topography of thin films was examined by Atomic Force Microscopy (AFM). Following, these emissive thin films were implemented as the photoactive layer in OLED devices, fabricated by the solution deposition method. The electroluminescence characteristics such as Luminance, Chromaticity Coordinates, and Current density–voltage of the devices were derived. The obtained results aim to give insight into the interrelation between the optical and electronic properties with the nanostructural, photo- and electro-luminescence characteristics of the fabricated devices. In the next step, some of the investigated photoactive materials with promising performance were selected and used as emission layers in flexible large-scale OLED devices.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη και η μελέτη ιδιοτήτων νανοδομημένων οργανικών φωτοενεργών υμενίων για εφαρμογή τους ως στρώμα εκπομπής σε πολυστρωματικές διατάξεις OLED, που βασίζονται σε υγρές τεχνικές εναπόθεσης. Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιήθηκε η συστηματική και ενδελεχής μελέτη των οπτικών, φωτοφυσικών και νανοδομικών ιδιοτήτων. Ειδικότερα, η τεχνική της Φασματοσκοπικής Ελλειψομετρίας χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων (διηλεκτρική συνάρτηση, δείκτης διάθλασης, συντελεστής απορρόφησης, ενεργειακό χάσμα), του πάχους αλλά και της σύστασης των νανοδομικών χαρακτηριστικών των υμενίων που λαμβάνονται κατόπιν εφαρμογής κατάλληλων μοντέλων προσομοίωσης των πειραματικών ελλειψομετρικών φασμάτων. Όσον αφορά τις φωτοφυσικές ιδιότητες διεξάχθηκαν μετρήσεις φασματοσκοπίας UV-Vis Απορρόφησης και Φωτοφωταύγειας. Συγκεκριμένα, μέσω της τεχνικής της Φασματοσκοπίας Φωτοφωταύγειας μελετώνται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά εκπομπής των υλικών, η φασματική κατανομή της, η ένταση αλλά και οι χρωματικές συντεταγμένες. Τέλος, με την Μικροσκοπία Ατομικών Δυνάμεων μελετήθηκε η τραχύτητα των υμενίων, η νανοτοπογραφία τους, το ποσοστό κάλυψης και αξιολογήθηκε η ομοιογένεια των υμενίων πάνω στο υπόστρωμα. Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον αρχικό χαρακτηρισμό των απλών στρωμάτων των φωτοενεργών υλικών χαρακτηριστικής εκπομπής πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη OLED διατάξεων σε πολυστρωματικές αρχιτεκτονικές. Ακολούθησε ο χαρακτηρισμός και η αποτίμηση της λειτουργίας των OLED διατάξεων, που πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της Hλεκτροφωταύγειας. Τα αποτελέσματα αφορούν την εξαγωγή των χαρακτηριστικών της φωτεινότητας και της πυκνότητας ρεύματος συναρτήσει της εφαρμοζόμενης τάσης, της φασματικής κατανομής εκπομπής για σταθερά εφαρμοζόμενες τάσεις καθώς και των χρωματικών συντεταγμένων εκπομπής. Επομένως, μπορούμε να συσχετίσουμε τις ιδιότητες των επιμέρους υλικών με τα χαρακτηριστικά των διατάξεων OLED, κατανοώντας τους μηχανισμούς εκπομπής τόσο στην περίπτωση της Φωτοφωταύγειας όσο και στην περίπτωση της Ηλεκτροφωταύγειας με τελικό στόχο την καθαρότητα και τη σταθερότητα εκπομπής. Σε επόμενο στάδιο επιλέχθηκαν ορισμένα από τα εξεταζόμενα φωτοενεργά και χρησιμοποιήθηκαν ως στρώμα εκπομπής σε εύκαμπτες OLED διατάξεις μεγάλης κλίμακας.