В «классическом» органическом светодиоде (OLED) в роли активного слоя выступают либо органические материалы, либо комплексные соединения металлов с органическими лигандами. Однако на эту роль могут также претендовать коллоидные полупроводниковые нанокристаллы, чьими неоспоримыми преимуществами является высокий квантовый выход и относительная легкая «настройка» длины волны люминесценции. Однако существенной проблемой, с которой приходится сталкиваться исследователям, является трудность локализации экситонов, образующихся в ходе рекомбинации электронов и дырок, исключительно в активном слое – это обусловлено различной подвижностью электронов и дырок в применяемых органических материалах. Поэтому подбор проводящих органических слоев (с дырочной и электронной проводимостью) и их толщины является насущной проблемой для многих исследователей.

Рис. 1. а) Спектры фотолюминесценции коллоидных нанокристаллов кремния (сплошная линия соответствует нанокристаллам диаметром 5 нм, штриховая – диаметром 3 нм). Длина волны возбуждения 395 нм. b,с) ПЭМ-микрофотографии нанокристаллов диаметром 3 нм и 5 нм, соответственно.

Коллективу американских ученых из университета Миннесоты удалось добиться существенных успехов в решении поставленной проблемы, что и продемонстрировали на примере собранного ими диода со структурой ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/SiNC/Alq/LiF/Al, где нанокристаллы кремния (SiNC), химически пассивированные 1-додеценом, использовались в качестве активного слоя, а poly-TPD и Alq – в качестве дырочно- и электронопроводящего слоев, соответственно (посмотреть структурные формулы указанных здесь слоев можно, например, на сайте Aldrich). Измеренный квантовый выход электролюминесценции оказался в два раза выше величины, сообщавшейся ранее (8,6 % при диаметре нанокристаллов 5 нм).

Рис. 2. а,b) Спектры электролюминесценции OLED, где в качестве активного слоя применяются нанокристаллы диаметром 5 нм и 3 нм, соответственно. с) Зависимость квантового выхода электролюминесценции светодиода от плотности тока. d) ВАХ светодиода e) Зависимость плотности оптической мощности светодиода от прикладываемого напряжения.

Авторы варьировали транспортные слои с различными подвижностями носителей заряда, а также с высокими запрещенными зонами (под запрещенной зоной здесь понимается расстояние между HOMO и LUMO орбиталями). Полученные ими квантовые выходы оказались весьма близки. Таким образом, в отличие от бытующего мнения, что именно подвижность носителей зарядов является ключевым фактором, определяющим эффективность люминесценции, авторы статьи пришли к выводу, что куда более важна большая ширина запрещенной зоны, которая ограничивает ток и электронов и дырок, выравнивая суммарный ток.

Рис. 3. а) Расположение HOMO и LUMO уровней для различных слоев, использованных в работе. b) Зависимость квантового выхода от плотности тока при использовании различных электронопроводящих слоев. с) ВАХ светодиода при использовании различных электронопроводящих слоев.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Kai-Yuan Cheng, Rebecca Anthony, Uwe R. Kortshagen, and Russell J. Holmes High-Efficiency Silicon Nanocrystal Light-Emitting Devices. – Nano Lett., Article ASAP; DOI: 10.1021/nl2001692.