Příprava a charakterizace nanokompozitních tenkých vrstev pro polymerní elektroniku

Bita Ghasemi, M.Sc.

Doctoral thesis

Preparation and characterization of nanocomposite thin films for polymer electronics

Abstract:

The breakthrough of semiconducting polymers revolutionized the electronics industry. Conjugated polymers are ideal materials for LED because of their semiconducting nature, ease of structural change, solution processability, and low cost of device solution manufacturing. Nonetheless, until now, the charge transport in semiconducting polymers has not been fully explained in all detail. Models of charge transport in organic semiconductors include band transfer, hopping, and multiple trapping and release, in which atoms are tightly confined on their equilibrium lattice sites. The correlation between microstructure and electrical characteristics in (poly)crystalline and amorphous materials is difficult to define, and there are significant changes in electrical behaviour dependent on lattice (dis)order. Furthermore, the existence of structural defects that govern non-radiative recombination is a critical factor affecting thin film electrical structure and optical properties. This research demonstrated that the optoelectronic characteristics and structural (dis)order in thin conductive polymer films have a non-trivial thickness dependency, studied for poly(9,9-dioctyfluorene-altbenzothiadiazole), F8BT thin films. Furthermore, new results obtained during the investigation of the behaviour of nanocomposite thin films made of poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV) and Al2O3 nanowires demonstrated that the addition of a nanofiller can play a significant role, resulting in the creation of new energetically favourable states in polymer chains. These states preferentially emerge due to the disordering of the polymer matrix after the addition of the nanofiller. The change of thin polymer structure correlates with the final properties of nanocomposite material, such as density of states in the band gap, reduction in charge mobility, and shortening of the exciton diffusion length. These changed parameters result in the reduction of the maximum luminance and the current efficiency of the prepared diodes. On the other hand, the nanofiller addition contributed to an increase in the operational lifetime of the diodes.

Abstract:

Průlom v oblasti syntézy polovodivých polymerů způsobil revoluci v přípravě elektroniky založené na organických materiálech. Konjugované polymery jsou totiž ideální materiálem pro světlo emitující diody díky jejich polovodivému charakteru, jednoduché strukturní modifikaci, dobré zpracovatelnosti z roztoku a hlavně díky relativně nízké ceně. Nicméně, do dnešní doby nebyl transport náboje v těchto materiálech zcela podrobně a úplně popsán a vysvětlen. Modely popisující transport náboje v polovodivých polymerech zahrnují přeskokový mechanismus, záchyt náboje a jeho uvolnění v závislosti na uspořádání jednotlivých molekulárních skupin nebo celých segmentů (makro)molekul. Proto je korelace vztahu mikrostruktury a vodivostních vlastností obtížná. Přítomnost strukturních defektů pak může ovlivňovat radiativní přechody elektronů a tím pádem se stavá i ovlivňujícím prvkem optoelektronických vlastností materiálu. Tato práce přináší studium netriviálních vztahů mezi tloušťkou polymerních filmů a jejich elektrickými a optoelektrickými vlastnostmi. Tyto vztahy byly studovány na polymeru poly(9,9-dioctyfluorene-altbenzothiadiazole), F8BT, kde bylo jasně prokázáno, že tloušťkový parametr výrazně ovlivňuje uspořádanost tenkého filmu a tím i výsledné chování polymeru. Další výsledky, získané během studia chování nanokompozitních tenkých vrstev, jasně prokázaly, že přidání nevodivých nanočástic do polymerní matrice poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylenu] (MEH-PPV) způsobilo rozuspořádaní polymerních řetězců a s tím spojené efekty, jako je vznik nových elektronových stavů v zakázaném pásmu, pokles mobility náboje a zkrácení difúzní délky excitonu. Tyto změny pak ovlivnily maximální svítivosti a celkovou proudovou účinnost připravených diod, v nichž byl tento nanokompozit použit. Na druhou stranu přídavek nanočástic vedl k prodloužení operační životnosti diod.

Keywords

tenké kompozitní vrstvy, strukturní uspořádání, J- a H- agregáty, nanoplnivo, MEH-PPV, PLED

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 2. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. et Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D. et Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Tomas Bata University in Zlín

Doctoral programme / field:
Nanotechnology and Advanced Materials / Nanotechnology and Advanced Materials