CC BY
14
УДК 535.37:541.49:546.661
УСИЛИТЕЛЬ/ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СВЕТА НА ОСНОВЕ
САЛИЦИЛАТА ТЕРБИЯ
Л. С. Лепнев, А. А. Ващенко, А. Г. Витухновский, С. В. Елисеева, О. В. Котова, Н. П. Кузьмина
Создан новый усилитель/преобразователь света на осно-
1 ^ ^ х ~. - _
6 С ибуХ 710 СЛ€и О б и I и€ЛЪ НО СОсииНСККо'иь у/итичуосто и-
телъного и сеетоизлучатогцего органических диодов, с пространственным разделением процессов умножении фототока и электролюминесценции. В светоизлучаю-щей части в качестве активного использовался слой салицилата тербия [ТЬ(5а/)з(ГРРО)г] (НБа1 - салициловая кислота, ТРРО - трифенилфосфин оксид), а в фоточувствительной - периленовый краситель (2,9-диметил-антра(2,1,9-де},6,5,10-д.'е'}') диизохинолин-1,3,8,10-тетраон (Ме-РТС)). Получено преобразование длинноволнового (600 нм) света в узкие полосы излучения ГЬ(5,а/)з(ГРРО)2 в интервале 490—650 нм (максимальная интенсивность излучения при Атах ~ 545 мл«). Предложена модель работы устройства и показано, что процессы умножения фототока и перераспределения напряжений между частями устройства сильно влияют друг на друга и определяют его работу.
В последние годы ь литературе появился ряд работ, посвященных исследованию эффекта умножения фототока в структурах, содержащих слои органических материалов (см., например, [1 - 5]). Указанный эффект связан с процессом туннелирования электронов из катода в органический слой вследствие накопления положительного заряда на границе их раздела [6].
В связи с тем, что в предложенных в литературе преобразователях света, использующих эффект умножения, фоточувствительный и излучающий слои заключены в одной структуре, при создании таких устройств возникают трудности, связанные с необходимостью согласования HOMO и LUMO уровней светочувствительного и электролюмп-несцентного слоев. Как следствие, непригодным для использования в упомянутых целях является большое число материалов, обладающих высокими излучательными характеристиками и люминесценцией в голубой и ультрафиолетовой областях спектра, для которых такое различие велико.
Для расширения спектра пригодных для ап-конверсии/усиления света органических материалов в данной работе предложен органический усилитель/преобразователь света с пространственным разделением функций умножения фототока и излучения, и начаты исследования его характеристик. В устройстве исключена, реабсорбция испускаемого света фоточувствительной частью системы, что расширило диапазон усиления/преобразования. Таким образом, устройство кроме ап-конверсии/усиления обеспе-
tTii □ т лт тагч/о л nun Т.-/ЛТ1 п IT / V С ТЛ TTf^TTTTi5 ГТ\?ТЯ
1 111VIAV, Л. J .' ' ' Ai IVVVil liVj J/ v.. fl IV j J V> XXW IVjllflV^ V- 1 Lb.
В фоточувствительной части усилителя/преобразователя традиционно использованы пленки красителя перилена (Ме-РТС), а в излучающей - органический све-тодиод, приготовленный нами на основе нового разнолигандного салицилата тербия [:ТЪ^Ба1)з{ТРР0)2], который ранее был успешно использован нами в светодиоде [7].
Фоточувствительная часть исследуемого устройства представляла собой структуры, состоящие из слоя Ме-РТС толщиной ~ 500 нм, заключенного между слоем 1ТО (анодом) и полупрозрачным золотым катодом. Они были изготовлены методом термического напыления в вакууме ~ 10~3 Па.
Органический светодиод на основе салицилата тербия со структурой 1ТО/РЕООТ— РЗЗ/РУК/ТЬ(За1)3(ТРРО)2/Са : А1/Ад, с дыркопроводящими промежуточными слоями на основе поли(этилендиокситиофена) (РЕБОТ), поли(]У-винилкарбазола) (РУК) и поли(стирен сульфоната) (РБЭ), использованный в излучающей части системы, был приготовлен по методике, аналогичной описанной в [7].
Инкапсуляция полученных излучающих структур производилась посредством заливки эпоксидной смолой.
Фоточувствительная часть системы помещалась в азотный оптический криостат, откачиваемый перед заливкой жидкого азота до давления ~ 2 Па, с возможностью регулировки температуры.
Коэффициент умножения определялся как отношение числа фотогенерированных но сителей к числу фотонов, поглощенных пленкой Ме-РТС.
При выполнении спектральных исследований образец освещался монохроматическим светом, выделяемым из спектра излучения ксеноновой лампы ДКСШ-1000 решеточным монохроматором МДР-3.
Исходя из спектральной зависимости коэффициента умножения сэндвичевой структуры на основе Ме-РТС [1], для возбуждения фототока была выбрана длина волны
Зависимости коэффициента умножения от приложенного к структуре напряжения показывали заметный рост умножения фототока, начиная, примерно, с 5 В. Кроме того, величина умножения значительно возрастала при уменьшении интенсивности облучаю-
Рис. 1. Зависимость коэффициента умножения фоточувствительной части устройства от приложенного напряжения при различных температурах (1: —110"С; 2: —70"С; 3: — 40°С). Аосвещ — 600 НМ, Росаещ = ЬбмкВт.
Рис. 2. Зависимость коэффициента умножения фоточувствительной части устройства на основе Ме-РТС от температуры при различных напряжениях для двух однотипных образцов. Кривые 1, 2, 3, 4 (образец 1) соответствуют напряжениям 15,20,25 и 30 В соответственно. Кривые 5 и 6 соответствуют напряжениям 12 и 8 В, соответственно (образец 2).
На рис. 1 представлены зависимости коэффициента умножения от приложенного
600 нм.
напряжениях на образце 25 40 В.
ас 400-
16 20 24 28 32 Напряжение, В
-100 -75 -50 -25 0 25
Температура, °С
напряжения при различных температурах, а на рис. 2 - температурная зависимость коэффициента умножения при различных напряжениях на двух однотипных образцах.
Коэффициент умножения растет с увеличением температуры до —20° С (рис. 2). Указанный результат отличается от имеющихся в литературе сведений [1] о наличии максимума коэффициента умножения при температуре —50°С, что, по-видимому, связано с отличием в исследуемых образцах набора структурных ловушек.
500 550 600
Длина волны,нм
70
| 60 ф
г, 50
I?40
Й ¿30
и I-
I о „„
ш —20 5
1 Ю
0-1
л
Л
50 100 150 200
Время (с)
250
Рис. 3. Спектр электролюминесценции ТЬ^Ба1)3(ТРРО)?.
Рис. 4. Ап-конверсия света (600 нм) в усилителе/преобразователе на основе ТЬ(5а/)з(ТРРО)2 (регистрация при \гед = Ь^Ънм). 1 - Включение подсветки; 2 - выключение подсветки.
В спектрах электролюминесценции светоизлучающей части устройства наблюда лись узкие полосы в интервале 490-650 нм, соответствующие переходам между энергетическими уровнями иона тербия(Ш): 5Б4 —>7 (490 нм), 5£)4 —(545 нм), 5Б4 —>7 (585 ил«), 5£)4 —>-7 Fз (620 нм) (\тах = 545 нм, рис. 3). Регистрация преобразованного света проводилась на длинах волн вблизи максимума излучения.
При малых приложенных напряжениях наблюдалась ап-конверсия света (рис. 4), которая при напряжениях больше 17 В, в зависимости от характеристик излучающей части устройства, сменялась его усилением/преобразованием.
Для оценки условий работы усилителя/преобразователя, обеспечивающих максимальное изменение интенсивности излучаемого света при включении длинноволновой подсветки, а следовательно, максимальный квантовый выход системы в целом, проведено моделирование характеристик устройства. Такой подход позволяет также оценить условия работы устройства, обеспечивающие режимы ап-конверсии и усиления света.
С целью максимального приближения к действительности все используемые в модели параметры определены из экспериментальных вольт-амперных (ВАХ) и вольт-яркостных (ВЯХ) характеристик фоточувствительной и излучающей частей системы. Характеристики аппроксимировались следующими экспоненциальными функциями: 1<1 = АДехр([//^) — 1) - темновая ВАХ фоточувствительной части; 7,7 = Ац(ехр(и/ 1ц) — 1) - ВАХ фоточувствительной части при освещении светом 600
и ж;
I = Вх(ехр(1//зх) — 1) - ВАХ излучающего диода; 3 = Въ^ехр^и/Зг) - ВЯХ излучающего диода. Полученные параметры представлены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1 Параметры аппроксимации ВАХ и ВЯХ частей системы
ТТа.пямртп X ----- X Значение Погрешность
А* ю-5 10"5
и 3.18 Ю-2
Аи 0.06 ю-2
и 8.17 10~2
Вх 2.2 ■ Ю-4 3 • 10"5
0.70 10"2
в2 4■10~5 Ю-5
32 0.67 2 • Ю-2
Полученные в результате моделирования зависимости представлены на рис. 5 и 6.
Максимум зависимости разности падений напряжения на излучающей части систе мы в темноте и при освещении от приложенного к системе напряжения (рис. 5) находится в другой области приложенных напряжений, чем максимум разности протекающих через систему токов и интенсивности излучаемого света. Это показывает, что процессы умножения фототока в исследуемом устройстве и перераспределения напряжений между его частями сильно влияют друг на друга, и только совместное влияние этих процессов определяет работу системы в целом.
Ток-яркостная характеристика излучающей части, полученная из её экспериментальных вольт-амперной и вольт-яркостной характеристик, имеет линейный характер. Вследствие этого вольт-яркостная характеристика усилителя/преобразователя имеет
8
16
О
12
4 ■
О
8
О 10 20 30 40 50 60 Полное напряжение на системе, В
О 10 20 30 40 50 60 Полное напряжение на системе. В
Рис. 5. Зависимость падений напряжения на излучающей части системы в темноте (1) и при освещении (2) светом 600 нм, а также их разности (3) от приложенного к системе напряжения.
Рис. 6. Вольт-амперные характеристики усилителя/преобразователя в темноте (1) и при освещении светом 600 нм (2), и их разность (3).
такой же вид, как и его вольт-амперная характеристика. Полученные зависимости падений напряжения на излучающей части от приложенного к системе напряжения и В АХ усилителя/преобразователя (рис. 5, 6) показывают, что при повышении напря жения происходит переход от работы устройства в режиме ап- (и даун-) конверсии в режим усиления света.
Линейный вид ток-яркостной зависимости показывает, что эффективность излучающей части не зависит от приложенного напряжения, что перспективно для практического применения материала.
Работа проведена при поддержке грантами РФФИ NN 04-02-17040, 03-02-16734, 05-03-33090, 03-02-16817 и Программой развития системы ведущих научных школ, шифр РИ-112/001 /039.
Авторы благодарят С. И. Торгову за предоставление материалов CaAl и Ад для нанесения контактов и П. П. Свербиля за помощь при отработке методики работы на интерференционном микроскопе при измерениях толщин.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Н i г а m о t о М., Imahigashi Т., Yokoyama М. Appl. Phys. Lett., 64, No. 2, 187 (1994).
[2] H i r a m о t о M. et. al. Thin Solid Films., 331, 71 (1998).
[3] Hiramoto M. et. al. .Jpn. J. Appl. Phys., 42, 672 (2003).
[4] Hiramoto M., Kawase S., Yokoyama M. Jpn. J. Appl. Phys., 35, 349 (1996).
[5] H i r a m о t о M. et. al. Appl. Phys. Lett., 81, 1500 (2002).
[6] H i r a m о t о M. et. al. Appl. Phys. Lett., 73, 2627 (1998).
[7] E 1 i s e e v a S. et. al. Synth. Met., 141, 225 (2004).
Поступила в редакцию 26 декабря 2005 г.
