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Herstellung und Charakterisierung von Ladungstransportschichten zur Realisierung lichtemittierender Dioden auf Basis von Halbleiternanokristallen

  • Als Ausgangspunkt der Arbeit auf dem Gebiet der Quantum Dot LEDs (QD-LEDs) wurden bereits verschiedene Materialien für Ladungsträgertransportschichten (engl. charge transport layer, CTL), verschiedene Sorten Quantum Dots (QDs) und Aufbringungsmethoden von dünnen Schichten untersucht. Über Langzeitstudien und Degradation war bis dato noch wenig bekannt. Es gab lediglich die Erkenntnis, dass die Elektrolumineszenz (EL) der QD-LED bei Inbetriebnahme einen sofortigen und starken Abfall über der Betriebszeit zeigte. Es gab die Vermutung, dass infolge einer hohen Stromdichte und damit einer hohen Temperatur im Bauteil, die organischen CTLs und auch die emittierenden QDs irreversibel geschädigt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe genauer Untersuchungen an CTLs und an QDs, die Effizienz und Lebensdauer der QD-LEDs zu erhöhen. Dazu wurden verschiedene Herstellungsparameter variiert wie z.B. die Herstellungsumgebung, die Präparation der Lochinjektionsschicht (engl. hole injection layer, HIL), die Schichtdicke und das Tempern der QD-Schicht, die Substratvorbehandlung und die Verkapselung des Bauteils. Anschließend wurde deren Einfluss auf die elektrooptischen Eigenschaften und das Langzeitverhalten untersucht. Des Weiteren galt es herauszufinden, welche möglichen Degradationsmuster bei den QD-LEDs auftreten und worin deren Ursachen liegen. Aufgrund einer verbesserten Präparation der HIL, bestehend aus Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), konnten elektrisch leitfähige und stabile Schichten ohne elektrische Kurzschlüsse hergestellt werden. Durch das gezielte Tempern von QDs konnte mithilfe von Photolumineszenzmessungen herausgefunden werden, dass die verschiedenen Sorten von QDs eine sehr unterschiedliche thermische Stabilität besitzen. Des Weiteren konnte durch eine Vorbehandlung des Substrates aus Indiumzinnoxid (engI. indium tin oxide, ITO) mit einem Sauerstoffplasma, der Kontaktwinkel verringert und die Oberflächenenergie erhöht werden. Aufgrund der verbesserten Adhäsion von PEDOT:PSS entstand somit ein stabilerer Kontakt zwischen den beiden Schichten, wodurch die Langzeitstabilität der QD-LED leicht erhöht werden konnte. Ein Abkühlen des Bauteils nach dem Tempern jeder einzelnen Schicht während des Herstellungsprozesses, bewirkt dabei ebenfalls eine Steigerung der Langzeitstabilität. Durch eine Variation der Schichtdicke der QD-Schicht konnte zudem die optische Leistungsdichte erhöht werden. Im Gegensatz dazu konnte durch eine teilweise Herstellung der QD-LED in einer vereinfachten Glovebox und unter Inertgasatmosphäre, keine Verbesserung der optischen Leistungsdichte und der Langzeitstabilität nachgewiesen werden. Eine Kapselung des Bauteils durch eine mit Epoxidharz befestigten Glasplatte auf der Bauteiloberfläche, führte dabei zu einer starken Verschlechterung der optischen Leistungsdichte der QD-LED. Die Langezeitstabilität des Bauteils wurde durch eine Kapselung zudem nur geringfügig verbessert. Des Weiteren konnte mithilfe von Pulsmessungen der EL und der Photolumineszenz (PL) an einer QD-LED, ein Rückschluss auf die im Bauteil vorliegende Temperatur bei Inbetriebnahme gezogen werden. Insgesamt wurden durch eine verbesserte Herstellung der Bauteile, die elektrooptischen Eigenschaften der QD-LEDs deutlich verbessert. Die Langzeitstabilität der Bauteile konnte dabei durch eine teilweise Herstellung der Proben in einer Inertgasatmosphäre und durch eine Kapselung nicht erhöht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, andere Schichtmaterialien und/oder eine invertierte Bauteilstruktur zu testen. Ferner ist eine Präparation der QD-LEDs in einer Glovebox unter reiner Stickstoffatmosphäre zwingend notwendig, um die Effizienz und Langzeitstabilität der QD-LEDs nachhaltig erhöhen zu können.

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Metadaten
Author:Sebastian Spindler
Advisor:Daniel SchondelmaierGND, Jörn Langenickel
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Name:Fraunhofer Institut für elektronische Nanosysteme ENAS
Technologie-Campus 3, 09126 Chemnitz
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2015
Granting Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau, Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2015/06/10
Release Date:2018/02/22
Tag:Halbleiternanokristalle; Ladungstransportschichten; Nanopartikel; QD-LED; Quantenpunkt
Page Number:129 Seiten, 113 Abb., 3 Tab., 114 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik