Příprava a charakterizace nanokompozitních tenkých filmů s využitím v organické elektronice

Ing. Jakub Ševčík

Doctoral thesis

Preparation and characterisation of nanocomposite thin films applicable in organic electronics

Abstract:

In this work, the recently obtained experimental results in the field of bandgap engineered nano ZnO/MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]) are presented, mainly thin nanocomposite films preparation, their electronic structure and properties characterization and implementation of them as active layers into the PLED devices. The influence of the nanoparticle size and composition, the thickness of thin films and parameters during their preparation on the optoelectronic properties and PLEDs performance are studied. Electronic structure of such nanocomposite films was studied with energy-resolved electrochemical impedance spectroscopy for the first time. Addition of any of the studied nanoparticles enhanced the luminance of prepared diodes in comparison with reference samples made from neat MEH-PPV polymers. Nanoparticle concentration, size and thin film thickness optimum was found for pure ZnO system within the range of tested parameters. Two principally different dopants - iron and aluminium - were used to modify the bandgap of the material and effects of concentration of the dopants in nanoparticles was investigated. The Fe-doping decreases the maximum luminance of the diode at given operating voltage in comparison with the reference undoped ZnO nanocomposite; however, it also decreases the opening bias significantly. Thus, Fe-doping opens a way to a search for the best balance between these two effects and finding an optimum power efficiency in this case. Significant enhancement of examined performance parameters in comparison with the reference undoped ZnO system was achieved for Al-doped samples. Both the opening bias and luminance of the diode were greatly enhanced by using this material.

Abstract:

V této práci jsou prezentovány nedávno dosažené výsledky v oblasti optimalizace band-gapu na nanokompozitních materiálech ZnO/MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]), především pak příprava tenkých nanokomopozitních filmů, charakterizace jejich elektronové struktury a elektronických vlastností a jejich implementace jako aktivní vrstvy do PLED zařízení. Velikost částic a jejich atomární složení, tloušťka vrstev a parametry přípravy těchto vrstev byly studovány vzhledem k jejich vlivu na výsledné optoelektronické vlastnosti a výkon PLED zařízení. Elektronová struktura takových nanokompozitních vrstev byla vůbec poprvé studována pomocí energeticky rozlišené elektrochemické impedanční spektroskopie. Bylo objeveno, že přídavek kterýchkoliv ze studovaných nanočástic významně vylepšuje svítivost připravených diod ve srovnání s diodami z čistého polymeru. Byla nalezena optimální koncentrace nanočástic, jejich velikost a optimální tloušťka nanokompozitního filmu, nejdříve pro systém s čistým ZnO. Dále pak bylo provedeno dopování nanočástic různými dopanty - železem a hliníkem, což mělo za následek modifikaci stavové struktury v band-gapu. Dopování nanočástic železem snižuje svítivost nanokompozitní emisní vrstvy ve srovnání s použitím čistých ZnO nanočástic, nicméně také se významně snižuje otevírací napětí diod. A proto dopování nanočástic pomocí Fe otevírá cestu, jak co nejlépe balancovat vliv těchto dvou efektů, a jak optimalizovat energetickou účinnost zařízení. Významného zlepšení u výkonu PLED zařízení bylo dosaženo použitím Al dopovaných nanočástic oproti nanočásticím z čistého ZnO. Jak otevírací napětí, tak i svítivost, byly významně vyšší s použitím Al dopovaných nanočástic.

Keywords

Tenké vrstvy, nanokompozity, oxid zinečnatý, inženýring zakázaného pásu, PLED, konjugovaný polymer, MEH-PPV, organická elektronika, optoelektronické vlastnosti

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 10. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2019
• Supervisor: doc. Ing. et Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D. et Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds