Materiali nanostrutturati per tecnologie LED

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1 Università di Padova Materiali nanostrutturati per tecnologie LED Massimo Guglielmi Dipartimento di Ingegneria Meccanica Settore Materiali University of Padova LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

2 Progetto MULTIPO Sviluppo di nuovi materiali multifunzionali per dispositivi opto-elettronici basati su sorgenti di luce in stato solido (SSLS) Una nuova tecnologia di packaging utilizzabile con i materiali sviluppati LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

3 Funzionalità richieste al materiale Elevato indice di rifrazione ( ), per ridurre la riflessione interna totale avvicinando l indice a quello del semiconduttore ( ). Conversione di lunghezza d onda (da 465 nm a 575 nm), per realizzare un LED a luce bianca. Alta transmittanza (circa 80 %), necessaria per un efficace estrazione della luce e per ragioni estetiche. Processabilità per ottenere, mediante trattamento termico o UV, matrici di LED incapsulati nel materiale multifunzionale. LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

4 Primo obiettivo: : alto indice di rifrazione ed elevata trasmittanza Il problema: I polimeri hanno normalmente bassi indici.. Per elevarne il valore è necessario introdurre una fase ad alto indice, ma essa deve essere sotto forma di particelle sufficientemente piccole e ottimamente disperse (non aggregate) per mantenere un elevata trasparenza. Per fare ciò è necessario poter adattare sia la matrice, sia le particelle.. Con i polimeri tradizionali ciò è molto difficile. LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

5 Secondo obiettivo: conversione della lunghezza d onda La realizzazione di LED a luce bianca può essere perseguita attraverso la conversione di una parte della luce blu emessa dal LED in luce gialla. La conversione può essere ottenuta con fosfori (ad es.: YAG:Ce,, Sr 2 SiO 4 :Eu), con molecole organiche o con quantum dots a struttura core-shell. LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

6 Jungeun Lim et al., Preparation of Highly Luminescent Nanocrystals and LED Their - Sistemi Application di illuminazione to Light-Emitting e display LED Diodes, - Villa Braida, Adv. 1 Mat. ottobre

7 Terzo obiettivo: ottenere un materiale che possa essere depositato mediante un processo innovativo di deposizione maskless UV or thermal curing LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

8 Obiettivo complessivo: : un unico materiale che realizzi i tre obiettivi parziali Strategia: Utilizzare il metodo sol-gel e la chimica dei colloidi come strumenti nell ambito delle nanotecnologie per: 1) Creare una matrice ibrida organica-inorganica con elevata stabilità chimica e termica e che abbia indice relativamente elevato in cui poter 2) Inserire nanoparticelle di materiale ceramico per l innalzamento dell indice 3) Inserire nanoparticelle core-shell per la conversione della lunghezza d onda 4) Che abbia requisiti di viscosità e stabilità adatti al processo di deposizione e 5) Che sia induribile mediante trattamento termico o irraggiamento UV LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

9 Bulk Energy Gap (ev) Energy Gap (ev) Nanoparticelle di semiconduttore: BN requisiti di trasparenza e di indice di rifrazione AlN NiO ZnO ZnS CeO2 GaN TiO2(a) SiC 3 TiO2(r) ZnSe CdO CdS ZnTe GaP HgSe efractive Index (n) efractive Index (n) CdTe InP GaAs GaSb Source : eddy et al. Opt. Mat InAs InSb LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

10 Nanoparticelle di ZnS Abs Wavelength [nm] 2 nm Fig.3: HTEM di NCs di ZnS LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

11 Nanoparticelle di TiO Abs Wavelength [nm] LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

12 La matrice: : un materiale ibrido organico-inorganico inorganico SiO 4 Formatore di reticolo organico Modificatore di eticolo organico LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

13 LA MATICE Componenti GLYMO DPDMS Zr(iPr)4 funzione Formatore di reticolo inorganico e organico Formatore di reticolo inorganico e modificatore organico, aumenta l indice di rifrazione Formatore di reticolo inorganico, aumenta l indice di rifrazione Formatore di reticolo organico O H 3 C OCH 3 3 O O CH 2 CH CH 2 O (CH 2 ) 3 Si OCH Zr 3 OSi O OCH 3 H 3 C H 3 C CH 3 O CH3 O CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 Formatore di reticolo organico LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

14 Il materiale nanocomposito ad alto indice Nanoparticelle di semiconduttore SiO 4 Formatore di reticolo organico Modificatore di eticolo organico LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

15 Nanoparticelle a struttura core-shell per la conversione della lunghezza d onda LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

16 core-shell Absorbance (normalized) ed 3 2 Orange 1 Yellow 0 Green Wavelength (nm) Green Yellow Orange ed Diametro: nm LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

17 Il materiale nanocomposito ad alto indice e in grado di convertire la luce blu in luce gialla Nanoparticelle di semiconduttore Nanoparticelle Core-shell SiO 4 Formatore di reticolo organico Modificatore di eticolo organico LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

18 La strategia seguita prevede quindi la sintesi di matrici adattate chimicamente per ospitare nanoparticelle funzionali,, a loro volta sintetizzate in modo da essere compatibili con la matrice che le ospiterà. Tale strategia è estremamente versatile, tanto più se si tiene conto delle innumerevoli possibilità per quanto riguarda sia la matrice, sia le specie ospitate. LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

19 densa porosa MATICE inorganica ibrida O/I SPECIE OSPITATE Molecole organiche Specie biologiche NP di ossidi NP di semiconduttori NP di metalli Core-shell ossido-ossido Core-shell metallo-metallo Core-shell semic.-semic Fullereni/nanotubi di carbonio LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

20 Applicazioni in campo Ottico (dispositivi passivi e attivi) Chimico (protezione, catalisi, ) Chimico-fisico (controllo bagnabilità, ) Sensoristico (sensori ottici ed elettrochimici di specie inorganiche, organiche o biologiche in gas e in liquido) Biologico/medicale (drug delivery, crescita tissutale, ) LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre

21 CONCLUSIONI Attualmente è stato realizzato il nanocomposito ad alto indice e si sta cercando di risolvere il problema dell ottenimento di forme emisferiche integre; sono stati sintetizzati i quantum dots con struttura core-shell e si sta lavorando al problema di poterli inserire nel nanocomposito ad alto indice. Sebbene le cose siano relativamente complesse,, la strategia seguita è sufficientemente versatile da consentire di essere ottimisti sul aggiungimento degli obiettivi del progetto. Tale strategia può essere applicata, nelle sue linee generali, alla sintesi di materiali multifunzionali diversi,, per molteplici applicazioni. LED - Sistemi di illuminazione e display LED - Villa Braida, 1 ottobre