Im Rahmen dieser Arbeit werden organische Mikroresonatorstrukturen hergestellt und meßtechnisch charakterisiert. Die Arbeit ist Teil eines Projektes, dessen Ziel der Nachweis von Lasertätigkeit bei elektrischer Anregung in organischen Halbleiterbauelementen ist.
Die Basis der Mikroresonatoren bilden organischen Leuchtdioden (engl.: OLED, Organic Light Emitting Diode). Als Emissionsmaterial findet das Gast-Wirt-System Qd:Alq3 Verwendung. Das Wirtsmaterial Aluminium 8-Hydroxichinolat Alq3 ist dabei mit etwa 1 mol% Quinacridon Qd dotiert. Das Emissionsspektrum dieses Materialsystems besitzt eine Halbwertsbreite von etwa 35nm und ein Maximum bei 525nm im grünen Wellenlängenbereich. Für die Injektion der Ladungsträger werden spezielle Transportschichten benutzt, Starburst und NPD für die Löcher sowie undotiertes Alq3 für die Elektronen.
Die auf einem Fabry-Perot-Resonator basierenden Mikroresonatorstrukturen werden durch einen dielektrischen Spiegel auf der einen Seite und einen Metallspiegel auf der anderen Seite begrenzt. Der dielektrische Spiegel besteht aus 7 Schichtenpaaren von SiO2 und TiO2 sowie einer transparenten leitenden Indiumzinnoxidschicht als Anode. Schichten von Magnesium und Silber bilden den Metallspiegel. Die dielektrischen Spiegel werden auf Saphirund MM-Glas (engl.: Millimask)-Substrate aufgedampft. Saphir ist aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit besonders für Mikroresonatoren geeignet. Die Herstellung der Bauelemente erfolgt durch mehrere Lithographieschritte und Aufdampfprozesse. Die organischen Materialien werden durch Molekularstrahldeposition unter Ultrahochvakuum aufgedampft, wodurch sich qualitativ sehr gute Dünnfilme herstellen lassen.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Schichtstruktur der hergestellten h1/2-Resonatoren derart in ihrer Länge optimiert, daß ihre Resonanzwellenlänge mit dem Emissionsmaximum des Emittermaterials zusammenfällt. Dazu werden Proben für Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzversuche hergestellt. Eine Streak-Kamera dient der Aufnahme der Lumineszenzspektren. Mit ihr kann man Lichtphänomene mit einer hohen zeitlichen Auflösung messen. Bei den Photolumineszenzuntersuchungen ergibt sich eine Halbwertsbreite der Resonanz von 1,7 nm, mit der man einen Wert von 318 für die Güte des Resonators berechnen kann. [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Organische Leuchtdioden
2.1.1. Photolumineszenz bei organischen Halbleitermaterialien
2.1.2. Aufbau von organischen Leuchtdioden
2.1.3. Materialien
2.2. Mikroresonatorstrukturen
2.2.1. Fabry-Perot-Resonator
2.2.2. Spiegel
2.2.3. Mikroresonator
2.2.4. Amplified Spontaneous Emission (ASE)
2.2.5. Transfer-Matrix Methode
3. Technologie
3.1. Prozesse zur Herstellung von organischen Dünnfilmen
3.1.1. Probenreinigung
3.1.2. Lithographie
3.1.3. Aufdampfen dünner Schichten
3.2. Herstellung von strukturierten organischen Leuchtdioden
3.2.1. Substrate
3.2.2. Lithographie bei den strukturierten Dioden
3.2.3. Aufdampfen der organischen Schichten
3.2.4. Prozeßüberblick
3.2.5. Probenbezeichnung
4. Optische Charakterisierung
4.1. Meßaufbauten
4.1.1. Streak-Kamera
4.1.2. Photolumineszenzmeßplatz
4.2. Photolumineszenzmessungen
4.2.1. Einstellen des Mikroresonators
4.2.2. Messung des winkelaufgelösten PL-Spektrums
5. Elektrische Charakterisierung
5.1. Meßaufbauten
5.1.1. Ansteuerplatine
5.1.2. Pulsbetrieb
5.1.3. Kennlinienmeßplatz
5.2. Elektrolumineszenzmessungen bei Mikroresonatorstrukturen
5.3. Dynamische Untersuchungen an OLEDs
5.3.1. Einschaltverzögerung
5.3.2. Stromverlauf
5.3.3. Zeitliche Elektolumineszenzuntersuchungen
5.4. Kennlinienmessungen
5.5. Probleme bei den Messungen
6. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit verfolgt das primäre Ziel, die Grundlagen für die Realisierung elektrisch gepumpter Lasertätigkeit in organischen Bauelementen zu schaffen. Hierzu werden organische Mikroresonatorstrukturen hergestellt, optisch und elektrisch charakterisiert sowie deren dynamisches Verhalten untersucht.
- Herstellung und Charakterisierung organischer Leuchtdioden (OLEDs).
- Entwicklung und Optimierung von Mikroresonatorstrukturen zur spektralen Einengung der Emission.
- Dynamische Untersuchungen des Elektrolumineszenzverhaltens unter Pulsbetrieb.
- Analyse von elektrischen Kennlinien und Parametereinflüssen auf die Bauelementeeffizienz.
- Evaluierung von Fertigungsprozessen wie Lithographie und Molekularstrahldeposition.
Auszug aus dem Buch
2.1.3. Materialien
Als Emitter werden in dieser Arbeit Aluminium 8-Hydroxichinolat (Alq3) undotiert bzw. dotiert mit Chinacridon (Qd) verwendet. Seit den ersten Berichten über organische Leuchtdioden [1] wird Alq3 für die emittierende Schicht benutzt und hat bis heute neben Polymeren seine vorherrschende Stellung als organisches Emittermaterial nicht verloren. Das Photolumineszenzspektrum von Alq3 ist in Bild 2.5 dargestellt; es ist breitbandig mit einem Maximum bei etwa 520 nm im grünen Spektralbereich.
Obwohl Alq3 auch undotiert als Emitter eingesetzt werden kann, benutzt man es in der Regel als Wirt in einem Gast-Wirt System. Als Dotierstoff wird in dieser Arbeit Qd benutzt. In diesem Gast-Wirt System liegt die Fluoreszenz-Quantenausbeute nahe 100 % gegenüber etwa 33 % in reinem Alq3 [2]. Durch Koverdampfen beider Stoffe erhält man die gewünschte Dotierung. Die Temperaturen werden so gewählt, das der Dotierstoffanteil etwa 1 mol % beträgt. In Bild 2.5 ist zu sehen, daß das Photolumineszenzspektrum von Qd:Alq3 schmalbandiger als bei reinem Alq3 ist. Es besitzt bei einer Halbwertsbreite von nur 35 nm ein Maximum bei etwa 525 nm. Bei niedrigeren Dotierstoffkonzentrationen ergibt sich ein reduzierter Energietransfer zwischen Alq3 und Qd, wodurch die Eigenlumineszenz des Alq3 an Bedeutung gewinnt. Im Photolumineszenzspektrum wird eine zu niedrige Dotierstoffkonzentration durch eine vergrößerte Halbwertsbreite deutlich.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Motivation für den Einsatz organischer Elektrolumineszenzbauelemente und Definition des Projektziels zur Realisierung elektrisch gepumpter organischer Laser.
2. Grundlagen: Physikalische Konzepte organischer Leuchtdioden, Funktionsweise von Mikroresonatorstrukturen sowie theoretische Erläuterungen zur Transfer-Matrix-Methode.
3. Technologie: Detaillierte Darstellung der Fertigungsprozesse, einschließlich Lithographie, Probenreinigung und der Verwendung von Molekularstrahldeposition unter Ultrahochvakuum.
4. Optische Charakterisierung: Methoden zur Vermessung der Photolumineszenz, insbesondere die Verwendung der Streak-Kamera zur spektralen und zeitlichen Analyse der Resonatorstrukturen.
5. Elektrische Charakterisierung: Untersuchung des dynamischen Elektrolumineszenzverhaltens, der Stromverläufe und elektrischen Kennlinien der OLEDs unter verschiedenen Ansteuerbedingungen.
6. Zusammenfassung und Ausblick: Bilanz der Untersuchungsergebnisse hinsichtlich der Lasertätigkeit und Diskussion zukünftiger Optimierungsansätze für organische Bauelemente.
Schlüsselwörter
Organische Leuchtdioden, OLED, Mikroresonator, Fabry-Perot-Resonator, Elektrolumineszenz, Photolumineszenz, Molekularstrahldeposition, Alq3, Chinacridon, Pulsbetrieb, Stromdichte, externe Quantenausbeute, Halbleiterbauelemente.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von organischen Mikroresonatorstrukturen und deren Potenzial zur Erzeugung von Laserlicht bei elektrischer Anregung.
Was sind die zentralen Themenfelder der Forschung?
Im Mittelpunkt stehen die Materialwissenschaften organischer Halbleiter, optische Resonatortheorien sowie die technologische Umsetzung von Bauelementstrukturen mittels Lithographie und Aufdampfprozessen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist der Nachweis der Lasertätigkeit in organischen Halbleiterbauelementen durch gezielte Optimierung der Schichtstruktur und Resonatorgeometrie.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es kommen optische Spektroskopie, insbesondere zeitaufgelöste Photolumineszenz mittels Streak-Kamera, sowie elektrische Puls- und Kennlinienmessungen zur Anwendung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in technologische Herstellungsverfahren, die optische Charakterisierung mittels Resonatortests und die elektrische Untersuchung des Anstartverhaltens sowie der Betriebsparameter.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie organische Leuchtdioden (OLED), Mikroresonator, Elektrolumineszenz, Quantenausbeute und Schichtdickenoptimierung beschreiben.
Warum wird für Mikroresonatoren bevorzugt Saphir als Substrat eingesetzt?
Saphir wird aufgrund seiner exzellenten Wärmeleitfähigkeit als vorteilhaft für Mikroresonatoren angesehen, da er die thermische Belastung im Betrieb reduziert.
Welche Rolle spielt die Parallelkapazität bei den untersuchten Dioden?
Die Parallelkapazität beeinflusst maßgeblich das dynamische Anstartverhalten, da sie eine verzögerte Aufladung bewirkt, die sich in einer längeren Anstartzeit der Lichtemission äußert.
- Quote paper
- Daniel Schneider (Author), 1999, Dynamische Untersuchungen an organischen Mikroresonatorstrukturen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19315
