Polimeri semiconduttori negli OLED

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Severino Rosati
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1 Polimeri semiconduttori negli OLED Nella figura viene mostrato uno schema di funzionamento di un Organic Light Emitting Diode (OLED). Il catodo e formato da un elettrodo di Alluminio (Magnesio o Calcio) e l anodo e formato da Ossido di Indio Stagno (ITO) trasparente. Dal catodo vengono iniettati elettroni mentre dall anodo vengono iniettate lacune in un layer che emette radiazione luminosa costituito dal polimero poli(pfenilvinilene) PPV. PPV ha un bad gap energetico di 2.5 ev tra gli stati π e gli stati π e produce uno spettro di luminescenza giallo-verde

Dal catodo vengono iniettati elettroni mentre dall anodo vengono iniettate lacune in un layer che emette radiazione luminosa costituito dal

2 Polimeri semiconduttori negli OLED Gli elettroni e le buche in un materiale come il PPV interagiscono creando una particella detta eccitone. Gli eccitoni sono localizzati nelle catene polimeriche e possono avere spin opposti (eccitone di singolettto S=0) o spin paralleli (tripletto S=1). La ricombinazione avviene solo per gli eccitoni di singoletto dato che lo spin non puo variare durante la transizione ed un fotone non puo assumere momento angolare. Gli eccitoni di tripletto non producono luce. Il rapporto tra gli eccitoni di tripletto e singoletto e di circa 3:1 per cui solo il 30 % degli eccitoni si ricombinano generando fotoni.

La ricombinazione avviene solo per gli eccitoni di singoletto dato che lo spin non puo variare durante la transizione ed un fotone non puo assumere momento

3 Polimeri semiconduttori negli OLED Un modo di ricavare fotoni partendo dagli eccitoni di tripletto e quello di farli interagire con una molecola che contiene elementi con Z elevato avente percio un forte accoppiamento spin-orbita. Il Platino puo per esempio assorbire il momento angolare di Spin di un eccitone di tripletto permettendo all eccitone di ricombinarsi emettendo radiazione luminosa. Tale processo di emissione e detto fosforescenza. L aggiunta di materiali fosforescenti aventi eccitoni che si ricombinano aumentano le prestazioni degli OLED. Un altra caratteristica che deve essere migliorata negli OLED e il trasferimento di eccitoni (che vengono prodotti alle interfacce tra ilcatodo e l anodo) nelle zone in cui ci sono i materiali fosforescenti.

Il Platino puo per esempio assorbire il momento angolare di Spin di un eccitone di tripletto permettendo all eccitone di ricombinarsi emettendo radiazione luminosa.

4 Polimeri semiconduttori negli OLED Negli ultimi anni c e stato un grosso miglioramento nelle proprieta degli OLED che ha fatto si che il mercato legato all illuminazione si stia muovendo nella direzione degli OLED. Questa area di mercato e particolarmente attiva dal punto di vista commerciale per questo motivo c e stata una parallela esplosione della sintesi di polimeri conduttori. Esempi di polimeri conduttori sono Alq3 che e stato usato sia come layer di trasporto di elettroni che come emettitore di luce. La formula chimica dell Alq3 e Al(C9H6 NO)3. Il materiale e solido con punto di fusione a 300 gradi C. Alq3 ha diverse forme cristalline ed emette nel blu.

Questa area di mercato e particolarmente attiva dal punto di vista commerciale per questo motivo c e stata una parallela esplosione della sintesi di polimeri

5 Polimeri semiconduttori negli OLED Questo tipo di polimeri semiconduttori sono stati caratterizzati in tutte le loro proprieta, sono oggi sul mercato e possono essere incorporati in diversi dispositivi. Un ulteriore caratteristica importante degli OLED e il fatto che una banda molto stretta di emissione e selezionata utilizzando una cavita ottica costituita da uno specchio metallico ed un layer ed un riflettore di Bragg. L emissione ad ampio spettro che e caratteristica dei polimeri organici e dovuta sia ai diversi stati elettronici presenti in diverse parti della struttura che ai moti vibrazionali della molecola.

Un ulteriore caratteristica importante degli OLED e il fatto che una banda molto stretta di emissione e selezionata utilizzando una cavita ottica

6 Polimeri semiconduttori negli OLED Sono state recentemente prodotte delle strutture capaci di emettere uno spettro di luce bianca e di raggiungere alte efficienze in termini di potenza di radiazione emessa per unita di potenza consumata. Questo dipositivo e particolarmente complicato ed e capace di emettere 38 lm/w paragonati ai 15 lm/w nel caso di una normalelampadina. Questo dipositivo differisce dai normali dispositivi descritti in precedenza poiche il singolo layer di PPV e stato sostituito con un un layer emissivo esteso EML costituito da una catasta di 6 diversi layers. In questo dispositivo ci sono 3 tipi di layer attivi (r,g,b). I due layer b generano direttamente luce blu (fluorescenza)

Questo dipositivo e particolarmente complicato ed e capace di emettere 38 lm/w paragonati ai 15 lm/w nel caso di una normalelampadina.

7 Polimeri semiconduttori negli OLED.Gli eccitoni di tripletto generati nei layer b1 e b2 sono tali da poter diffondere negli altri 2 layer r e g generando luce rossa e verde. I layer r e g contegono atomi pesanti di iridio che permettono di sfruttare gli eccitoni di tripletto. Una cosa importante e che gli eccitoni di tripletto diffondono meglio di quelli di singoletto. In questo modo possono migrare, partendo dal layer b, verso i layer r e g prima di ricombinarsi. Il dispositivo e stato costruito attraverso successive fasi di evaporazione di layer organici in camere da vuoto su un substrato di vetro ricoperto dall ITO.

I layer r e g contegono atomi pesanti di iridio che permettono di sfruttare gli eccitoni di tripletto.

8 Stampe a getto di inchiostro di transistor organici E stato recentemente brevettato un processo di stampa a getto di inchiostro ad alta risoluzione per la fabbricazione di circuiti contenti polimeri organici. Tali dispositivi sono preparati attraverso step successivi di deposizione in soluzione e stampa. I substrati sono costituiti da vetro che viene trattato con processi di fotolitografia in modo da creare alcuni pattern sulla sua superficie.

Tali dispositivi sono preparati attraverso step successivi di deposizione in soluzione e stampa.

9 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico Il modello fisico di una particella che si muove verso un gradino di potenziale in una dimensione permette di comprendere gli aspetti fondamentali dei dispositivi sulle giunzioni tunnel e sulla doppia barriera di potenziale. Il diodo ad effetto tunnel risonante e basato proprio sull effetto tunnel in una doppia barriera di potenziale. Questo modello e anche fondamentale per descrivere il decadimento di una particella α. Le giunzioni tunnel tra materiali magnetici sono la base dei sensori basati sulle magnetoresistenze (TMR) presenti nei dischi rigidi dei computer. TMR sono anche presenti nell memorie MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) dei computer. Le giunzioni tunnel tra due superconduttori (nel caso di alta trasmissione) si chiamano giunzioni Josephson che costituiscono la base di sensori di corrente estremamente sensibili.

Questo modello e anche fondamentale per descrivere il decadimento di una particella α.

10 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

11 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

12 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

13 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

14 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

15 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

16 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico

17 Doppia barriera rigida

18 Doppia barriera rigida

19 Doppia barriera rigida

20 Doppia barriera rigida

21 Doppia barriera rigida

22 Tunnel su una barriera di spessore finito

23 Tunnel su una barriera di spessore finito

24 Tunnel su una barriera di spessore finito

25 Tunnel su una barriera di spessore finito

26 Dispositivi basati sull effetto tunnel elettronico:diodo ad effetto tunnel risonante

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