Hybrydowy układ grafen-tlenek metalu przejściowego: synteza i zastosowanie jako anody oraz katody w organicznych diodach emitujących światło
Graphene-transition metal oxide hybride structure: synthesis and application as anode and cathode in organic light emiting diodes
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: grafen OLED tlenki metali przejściowych materiały hybrydowe cienkie warstwy
Słowa kluczowe (angielski): graphene OLED transition metal oxides hybrid materials thin films
Członkowie konsorcjum: Uniwersytet Łódzki Politechnika Łódzka (Lodz University of Technology) Uniwersytet Łódzki Politechnika Łódzka Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych
Okres realizacji projektu: 19.04.2017 - 18.04.2022
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Opus
Kierownik projektu: Jacek Ulański
Wartość dofinansowania: 1 284 200,00 PLN
Wartość projektu: 1 284 200,00 PLN
"1. Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza Prace dotyczące zastosowaniem grafenu w optoelektronice dotyczą głównie budowy układów hybrydowych w celu zwiększenia przewodności elektrycznej grafenu oraz modyfikacji jego pracy wyjścia w transparentnych i przewodzących elektrodach. Zaletą hybrydowej elektrody jest możliwość dopasowania jej struktury elektronowej do pozostałych elementów składowych układu, jednakże znajomość procesów fizycznych zachodzących w interfejsie grafen/TMO pomimo wzrostu znaczenia tych układów ciągle pozostaje niedostateczna. Celem projektu jest wytworzenie i modyfikacja układów hybrydowych grafen-tlenek metalu przejściowego (TMO): MoO3, ReO3 i TiO2 oraz zbadanie jak ich struktura wpływa na przebieg procesów domieszkowania grafenu a tym samym ruchliwość fermionów Diraca, transportu ładunku oraz emisji światła w organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLED). Prowadzone zarówno na drodze eksperymentalnej jak i teoretycznej (DFT, TB) badania umożliwią opracowanie modelu odziaływań w hybrydach oraz hybrydach pokrytych warstwami molekularnymi. Unikalność naszych badań będzie polegała na analizie procesów fizysorpcji i chemisorpcji molekuł z hybrydą oraz zaadaptowaniu modeli ICT (integer charge transfer) i IDIS (induced-density-interface-states) do opisu dopasowania poziomów energetycznych w półprzewodnikach organicznych. Według naszej wiedzy do chwili obecnej modele te nie były stosowane w układach z grafenem. Istotnym rozszerzeniem dotychczas prowadzonych prac będzie wytworzenie i zbadanie uproszczonej struktury OLED w której układy hybrydowe będą pełniły rolę warstwy wstrzykującej dziury (HIL) lub elektrony (EIL). W trakcie realizacji projektu odniesiemy się do szeregu hipotez naukowych wśród których najważniejszą jest: na podstawie uzyskanych wyników eksperymentalnych i teoretycznych jest możliwe zbudowanie modelu złącza grafen/TMO/warstwa molekularna w zastosowaniu do układów OLED. 2. Zastosowana metoda badawcza/metodyka Na potrzeby projektu zostaną wytworzone warstwy grafenowe za pomocą reaktora AIXTRON w oparciu o chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) na kryształach węglika krzemu (SiC) oraz foliach miedzianych (Cu). Warstwy grafenu wytworzone na miedzi będą transferowane na przezroczyste podłoża szklane oraz folie polimerowe (PET). Na powierzchnię grafenu zostaną naniesione warstwy tlenków metali przejściowych za pomocą naparowywarki z bombardowaniem elektronowym w UHV oraz naparowywanie tytanu w atmosferze tlenu z wykorzystaniem źródła plazmy dostosowanej do UHV. Warstwy aktywne (transportujące ładunek i emitujące światło) będą nanoszone próżniowo oraz wylewane z roztworów (spin-coating). Przygotowane będą serie próbek, różniące się poszczególnymi parametrami, takimi jak grubość oraz stechiometria tlenków metali przejściowych, co umożliwi wnioskowanie o występujących w układzie zależnościach i mechanizmach. Jednorodność, morfologia i struktura powierzchni oraz właściwości elektronowe układów hybrydowych grafen/TMO analizowane będą zarówno makro- i nanoskali metodami XPS, AES, UPS, ARPES, STS, CITS, KPFM. Otrzymane rezultaty zostaną wsparte obliczeniami teoretycznymi w ramach teorii funkcjonału gęstości (DFT) i ciasnego wiązania (TB). W dalszej fazie projektu scharakteryzowane zostaną właściwości emisyjne, optyczne oraz wyznaczone zostaną charakterystyki prądowo-napięciowe diod OLED zbudowanych z wykorzystaniem elektrod wykonanych z układów hybrydowych pełniących rolę anody lub katody. Takie kompleksowe podejście pozwoli na wyjaśnienie podstawowych zjawisk i procesów fizyko-chemicznych zachodzących w układach hybrydowym grafen-tlenek metalu przejściowego odpowiedzialnych za transport ładunkowy i wpływających na efektywność wstrzykiwania nośników ładunku do układów OLED. 3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki, cywilizacji, społeczeństwa Rezultaty planowanych badań będą miały znaczenie dla rozwoju nowych materiałów na potrzeby takich dziedzin nauki jak optoelektronika, spintronika i fotonika. Poznanie podstawowej natury zjawisk odpowiedzialnych za transport ładunkowy w organiczno-nieorganicznych układach hybrydowych pozwoli rozwiązać kluczowe problemy związane z oddziaływaniami międzywarstwowymi. Ponadto umożliwi to świadome projektowanie nowej klasy materiałów wielowarstwowych w których dwuwymiarowe kryształy, takie jak grafen, połączone będą z cienkimi warstwami tlenków metali przejściowych. Dokonana zostanie analiza wpływu modyfikacji struktury elektronowej układu hybrydowego na efektywność wstrzykiwania nośników ładunku do warstwy półprzewodnika organicznego. Przyczyni się to do poznania procesów odpowiedzialnych za efektywność emisji światła w układach OLED. W przyszłości opracowane analizy będą mogły stanowić podstawę dalszych badań o charakterze aplikacyjnym, w szczególności dotyczących zasad funkcjonowania i efektywności diod elektroluminescencyjnych i ogniw słonecznych nowej generacji. W dalszej perspektywie wyniki projektu mogą przyczynić się do opracowania technologii prowadzących do ekologicznego pozyskiwania i oszczędności energii elektrycznej."
"1. Research project objectives/ Research hypothesis The scientific research on application of graphene in optoelectronics is mainly focused on designing and building hybrid systems aim to increase electrical conductivity and modification of work function of graphene. It can helps to design a new type of conducting and transparent electrodes with the ability of energy level alignment in optoelectronics systems. Even though the interest of hybrid systems increases rapidly, the physical phenomena responsible for their properties are still not fully understood. The aim of this project is developing, creating and modifying graphene-transition metal oxide (TMO) MoO3, ReO3, TiO2 hybrid systems and investigating how their structure influences graphene doping processes, the charge carrier injection, transport and light emission processes when they are incorporated as transparent electrodes in organic light emitting diode (OLED) structures. Based on experimental and theoretical (DFT, TB) studies we are going consider graphene/TMO/molecule interfaces with weak and moderate interactions between molecules and hybrids. This can help us check the efficiency of ICT (integer charge-transfer) and IDIS (induced-density-interface-states) models to describe the energy level alignment of such organic systems. To the best of our knowledge such studies have not been conducted yet. The novelty of our project is also application and investigations of graphene hybrids as a hole and electron injection layers (HIL/EIL) in OLED structure. In the course of the project we will address several scientific hypothesis, however the most important is: based on experimental and theoretical studies it is possible to design model of graphene/TMO/molecular layer junction for OLED application. 2. Research project methodology To fulfill the aims of this project the graphene layers will be created by chemical vapor deposition (CVD) method on silicon carbide (SiC) and copper foil (Cu) substrates using AIXTRON reactor. Graphene layers grown on copper will be transferred onto transparent glass or polymer film (PET) substrates. Transition metal oxide layers will be deposited using electron beam evaporator in UHV and metal deposition with subsequent UHV compatible plasma source for post growth oxidation. Active layers (charge carrier transporting, and light emitting layers) will be deposited by vacuum deposition or by spin-coating methods. Series of samples will be created, varying in different parameters, such as thickness or stoichiometry of metal oxides, allowing to determine the relationships between the structure and performance of the devices. The homogeneity, morphology, as well as surface and electronic structures of graphene/TMO hybrids will be analyzed in both macro- and nanoscale using XPS, AES, UPS, ARPES, STS, CITS, KPFM methods. The obtained results will be supported by numerical calculations in the frame of density functional theory (DFT) and tight binding method (TB). In further project steps the light emission and optical properties with current-voltage characteristics of OLED diodes will be measured. The hybrid materials are planned to use for both anode and cathode electrodes. Such complex approach will allow to explain basic phenomena and physical and chemical processes responsible for charge carrier transport and injection in OLEDs with graphene-transition metal oxide hybrid electrodes. 3. Expected impact of the research project on the development of science, civilization and society Results of the planned research will have a significant impact on development of new materials for optoelectronics, spintronics and photonics. Learning the basic nature of phenomena related to charge carrier transport in organicinorganic hybrid structures will allow to answer key issues in interlayer interactions. Furthermore, it will allow for intentional, controlled development of new class of multilayered materials, in which 2D materials – graphene will be integrated with thin transition metal oxide layers. Analysis of an influence of modifications of electronic structure of hybrid system on effectiveness of charge carrier injection into organic layer will be conducted. It will be a significant contribution into learning the processes behind the effectiveness of photoemission in OLEDs. In future the analyses developed in course of this project can serve as a base for further, applied studies, in particular ones related to principles of operation and effectiveness of new generation of OLED and organic photovoltaic (OPV) systems. In further perspective the results of this project will contribute to development of new technologies oriented towards effective acquisition and saving of electric power."
Powrót