optoelectronic devices based on hybrid organic–inorganic structures

6
Optoelectronic devices based on hybrid organic±inorganic structures N. Tessler a, * , D.J. Pinner b , P.K.H. Ho b a Electrical Engineering Department, Center for Communications and Information Technologies, Technion, Haifa 32000, Israel b Cavendish Laboratory, University of Cambridge, Madingley Road, Cambridge CB3 0HE, UK Abstract Conjugated polymers have become attractive for a range of device applications as light emitting diodes display), photo-voltaic cells, transistors, and lasers. While there is true value in making all plastic devices most of the currently made ones involve the use of inorganic layers and or substrates. In this paper we outline some of the attractive properties of such devices and show that the hybridization on a nano-scale as in blends) could be a powerful tool. Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Polymers; Laser; LED; FET Conjugated polymer devices are very attrac- tive for a variety of optoelectronic applications ranging from light emitting diodes through photo-diodes, transistors, and even lasers [1±7]. In these devices the active material is the organic layer or in the current context a conjugated polymer. The rest of the structure is often made of inorganic materials while taking advantage of a well developed technology and being able to focus the attention or eort on the active layer itself. In this paper we will outline some device properties found in such devices and demonstrate why they have become so attractive. We will also describe some properties in the context of lasers and outline the challenges a head. Fig. 1 describes the basic structure of polymer light emitting diode 1. The substrate is commonly inorganic and in many cases is made of glass. The substrate is then coated by a transparent electrode as the ITO which is used for hole injection. The polymer layer is then deposited and the device is ®nished by depositing a top, electron injecting electrode. This basic structure is often supple- mented by insulating layers inorganic or organic) which help to control pixel size as well as the ef- fective capacitance of the diode. The active region could be made of a single polymer, a solid solution of polymers, either in a single- or multi-layer form. The ease of incorporating the active polymer with inorganic layers is now at the basis of the display technology which incorporates the LEDs with thin ®lm transistors to form the active matrix display. On the other hand, structures as in Fig. 1 are very useful as probes for the properties of the polymer within the structure. Fig. 2 describes an experimental set-up used to study conjugated polymers under pulsed excita- tion. The sample LED) is kept under vacuum to prevent degradation by oxygen or moisture and is Optical Materials 17 2001) 155±160 www.elsevier.nl/locate/optmat * Corresponding author. Tel.: +972-4-8294719; fax: +972-4- 8323041. E-mail address: [email protected] N. Tessler). 0925-3467/01/$ - see front matter Ó 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S 0 9 2 5 - 3 4 6 7 0 1 ) 0 0 0 4 0 - 4

Upload: n-tessler

Post on 04-Jul-2016

214 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

������������ ����� �� �� � ����� ����������� ��������

�� �� ��� ���� ���� ��� �� ������ �� �

� ���������� ������ ������ ��� ����� ��� �� �������� �� ���� ���� ����������� ������� ����� ������ ������� �������� ����������� �������� �� �� ������ !������ "���� �� ����� �#� ���� $

��������

�� ������ ����!�� ���� ����!� ��������� "�� � ���� �" ����� �������� � ���� �!��� ���� #� ����$�

�����%������ ���� � ��� ��� � �� �� �� � &��� ����� ���� ����� !�'� ��� ��� �� ����� !� � �" ��� ��������

!��� �� ����� ��� � � �" ����� ����� �� �� �� ����� � ( �� ����� )� ����� �!� �" ��� ���������

�������� �" ��� ����� �� ��) ���� ��� �����*��� � � ��% ���� #� ���� $ ����� �� � ��)��"��

����� � +,,- .� ���� /���� 0�1� 2�� ���� �� ������

$��%����& ����!�� 3 4� ��3 4.�3 5.�

�� ������ ����!�� ����� ��� ���� ������%��� "�� � ������ �" ������������ �������� ���� "��! ���� �!��� ���� ������������%���� � ��� ��� � �� ��� �� �� 6-�78�( ��� � ����� ��� ����� !������ ��� ���������� �� ��� ������ ����9� � �� ����������!��� ��� �� � �" ��� �������� �"�� !����" ����� !������ )��� ��'� �������� �"� )��� ��������� ��������� �� ��� ���� ��"��� ��� ������ �� �:��� � ��� ����� ������ ��"� ( �� ����� )� )�� ����� �!� ������������� "��� ��� ����� �� ��!� �����)�� ���� ���� ����!� � ���������� &� )�� �� ��� ���� �!� �������� ��� ����9� �" �� �� �� ����� ��� �������� � �����

5�� - �� ���� ��� �� � �������� �" ����!������ �!��� ���� -� ��� �� ����� ��!!���

����� �� !�� �� � !��� �" ��� � ��� �� ����� ��� ������ �� � ��� ����� ���������� ��� (�� )��� � �� "�� ���� ����� �������!�� ����� ��� ���� ��� �� ��� ����� ; ��� �� ���� �� � ���� ������� �������������� �� �� � �������� �"�� �����%!���� �� ����� ����� #����� �� �����$)��� ���� �� ������ �9�� *� � )��� � ��� �"%"����� ��������� �" ��� ����� ��� ����� ��������� �� !��� �" � ��� ����!��� � ��� ������" ����!�� � ����� � ���% �� !���%����� "��!���� �� � �" ��������� ��� ����� ����!�� )������� ����� �) �� ��� �� �" ��� � ������������� )��� ��������� ��� 4.� )�� ��;�! ��� ��� �� "��! ��� ����� !���9 � ������ ��� ����� ���� �������� � 5�� - ��� ����� �"�� � ����� "�� ��� �������� �" ��� ����!��)�� ��� ���������

5�� + �� ���� � �9���!���� ��%�� � �� �� ���� �� ������ ����!�� ���� ��� �� �9���%��� ��� �!��� #4.�$ '��� ���� �����! �������� ��������� �� �9��� �� !� ���� ��

������ <������ -7 #+,,-$ -==�->,

)))��� ������?������?���!��

� ����� ���� ������� ����@ AB7+%C%D+BC7-B3 "�9@ AB7+%C%

DE+E,C-�

�' ��� �������& �F������������� #�� �� ���$�

,B+=%EC>7?,-?G % �� "��� !����� � +,,- .� ���� /���� 0�1� 2�� ���� �� ������

�((@ / , B + = % E C > 7 # , - $ , , , C , % C

!����� � � ���� ' )�� � ������� ��!����%����� ��� 4.� �9���� �� ���� ��) ����%������������ ��� � � � �� ���� �� ����� �:��� ���� ��%�� �!� �� ���� ��� �� ���� �������� � ������� ��� ����� �� ��� ���� �!���� ���� 2 � ���� ��� ������%����� �� ����� ���� !�� ���� �� �� �� �� ���� ��� ��� 4.�# �� 5�� +$� ��� ���"��!��� �" ��� ����� ���� ���� ���� )�� ��� ����!�� � ��� �������� �� ��� '2 �!�+ ���!� 6D�-,8�

5�� E �� ���� ��� ���' ������ �" ������:���� ����!�� 4.� � � "���� �" ��� ���%��� �� �� �� � ������� ���!� ����� - �� +��� ��� ����� �������� 6B8 �� ����� E ������� ����� ��;������ 6--8� 2 �9������� ���� � �" � ������% �������� �� !����� ����� �H%���� �� ��;� ��� ������� �� ���� �� ���������% ���� ����� 5�� ��� ����� ��)

�� ;���� ��� �H���� C ��?2 �� ��� ���'������ �" +, !��� ���!+ ����� ��� ������� -, !& ���' ��)�� �!���� �� �- !!+

4.�� /��� �� ��� ��� ���� �������� � "�� � ��� ����!�� ������ ��� � ������� ��� ����9��" "����� ����������� ��!��� �� �� � ��� � �������� �� ���' ���! ��

��)����� �� ���� ��� ����!�� �������� ���� �� ���' ������ �� ��� ����� ���"��!����� ������ ��� !�� ���!�� )�� � ������ ���%������� ���� ?!����� /��� � �!������������� !���� ��) ����) 6-+�-=8@

�� � ���, �9�

�� ���

��9� �

�����

�� �� �-�

�������� �� � �

����

���

����� ���

� ���������� ������ ���

� ���� ������� ��� �+��

�������� �� � �

����

���

����� ���

� ���������� ������ ���

� ���� ������� ��� �+��

��� �

������� � ������� �E�

������� �� � ����� ������� �� � �

���

���

���� ��� �

� ���

�C�

5�� E� .! � ���' ������ � � "���� �" ���� ������

�� �� "�� ����� �:���� ����� ��;������ �

LaserDiode

5�� +� /���!��� �� ����� �" ��� �9���!���� ��%�� � �� ��

���� ����!�� ���� ��� �� ��������� �9������

5�� -� /���!��� �� ����� �" ��� �� � �������� �" ����!��

�� �� ���� �!��� �����

-=> () ������� �� ��) * +������ !�������� ,- .���,/ ,001,2�

� � ��,

��""��� �=�

.9� .""��� � ���� ���� � ��

.9� �������� �>�

���� ��� ��� �� 3 ��� ��� �������� ����� �� %���� �9��� �� ��� �� ��������� �� �� �� ��� ���������� �� ���� �:� � ���H��� � )��� ������ �� �� � ������ �� �� � ������ #)���� � ��� �� �" ��������� ������$ � �!� ���� ���. �� �:� � ������ ���� "�� ��� � � ��! �4 ��� � ���� "��! ��� �������� ��"" ��� �"%"����� !����� #"�� �� � ����"" ��� �� � ���4���� ����!���� ���� "�� ������� � )��� ;��� ������� ������� ��� ;��� �������� �"��� !����� 6-+�-E8� ���� ���� ��� 4���� ��%��!���� ���� "�� ���� � �� �� ������� ���������� ������� � �� � � ��� ��� �:� ����H��� "�� ��� �9��� ������ � �!� ��:� � ����� �" �� � -, ! �� � �"�%�!� �"� � - �� � �+

�����.I � #+�$ �� #+�$ �� ���� ��� ������� �� ����

���!� � �� ��������� .I� #E$ ��� �� ��I����� .I� #C$ �� ���� ��� ���!� �" ��� ���� �9��� �� ��� )��� �������� ���������� 4���� ����!���� ���� #.I� #=$$� 5 ���"����� �" ���� �9��� �������� #)� � �!����� 5 "����) ��� � ��� �� ����!���� � -�C$� �� � ��� �9��� �"��!� #�� �� ��! ��'� "�� ��� ������� �"��!�$� .I� #>$ ������ ��� �9��� �� �� ���;�� �� ��� �9������� !��% ���� ����� � &� � �!� ���� " ��� ����!��)���� ���� ��� ;�� ��� ������ #� ��%J���� �� KK"��� ����LL$ � )���� �!� )�� �H%���� �" ,�C� �� � �!��� ��;� ��� ����� �" �� � -�= �!� �� "��� ����� ���� �� ���� ��� !��;���� �� ��� �! � ���� ��� �� %���"����� �:��� �9� �� � !���� #� � !������������ $ �� .9�M����#4$ ��� �9����� ���%��� )��� ��;�� � ��� "����� �" ��� �����!���� ������� �� ��� 0� ���� ��� �9��� �9������ ��� !���� #.I � #C$�#>$$ � ����!� �� ��� �� ��!!�� � I����� �:��� �� �������� ��� �9������� !�� ���� ���� �� ��� ���%���� �������� �9��� �� �� � � ��� ��������������� �����

�� ��!� ����� �� ������ )� ��� �� 5�� C��� ��������� �" ��� �9������� �������� �9��� #������� ��� ����� ���� ����� $ � � "�����" �� �� )�� ��� ������ ��� ��������� )� ���"��!�� "�� � -,, ! ���' ����� � �!� ��"��! ������� �" �9��� #������ ����!�%���$� ��� ������ �������� �� ��� �" ��� #� � -�=$� "����)�� �� -,, ! �" (�� #� � -�D$� �-,, ! �" ����� ����!��� �� � ��� �� ������������� ��� ����� )� ���������� "�� � ����!�� ������"������ ��9 �" � � -�D �� ��� �����! �����"�� � � +�=� ��� ;���� ��) ��� '�) !������������ "�� ��� ����� )�� ��� ��)�� ��"��������9 6->8� &� �� � ��� ���� ��� �)� �:���������� �������� �!��� �:������ ��� �������� �� ��� "������ "��! �" ��� �)� ����� �:�� �

��!���� ��� ��������� �" ��� �9��� � ��" �� ��� !��� !����� ��� �������� �"�������� �9������� !�� ���� I����� � ������� ��)�� �� �! � ������!� ��� ����� ��%������ �" ��� "��� !���� ���� �� �� �!� ��% ���� ��� ���� ������ �� ��� ������ �� �� )�� ��� ����� �� ��� ������ ������ "����� �9������ �" ������ !����� "��! ��� ���%������ 6-+8�

5�� = ��) �9������� !����� "�� �:��������!�� � (� �� � ��!� ����� ���� � ����� ���� ��� �� �9����� ���� ������� �� ���� !�����"��! � ��� ����� 6-+8� 0� �9���� �� �� �"

5�� C� .9������� �������� �9��� �� �� #�! �$ � �

"���� �" �� �� �� ��� 4.� "�� �)� �������� )���

�:�� ��� �� ��� ��"������ ��9 �" ��� ����� ������

() ������� �� ��) * +������ !�������� ,- .���,/ ,001,2� -=7

!������ � !�� ����!� �� ��� �� ��!!�� ���� ������ ���)�� ����!�� �������� �� � !����� �� ���� ��� �� � �" ��� !�����!������ �

��� ����� ����� �������� )��� �� � ������������� ���� �" ��� ;��� �:��� ��� ��� #5.�$ ��) 5�� >� ��� ���"��!��� �" ��� ���% ��� �� !������ �;����� ��� �� � ���� 6E�C�-78 �� �� ����� ��� )�� �� ��� !�'� �"��� ��� �� �������� ������������ ����� )���� �" ��� !��� � "��! ��� ��� !��� �9���2��� ��� ����� ����� �� � ���� � �"�� �%���*� ��� ����!�� �������� �� � ������ ��%�)�� ��� ������ !����� �� ��� ����!�� �������;������ )� ������� �������� 6-D8�

5����� )� ����� ��� �� �" �� �� � ��� ��%��� �������� ���� ���� ��� � �� ��� !�� ��

����� !��������� )�������� � ������� "���%���'� +� ������� �� �������� �� !��� 6=�-B�++8� ��� ���"��!��� �" ��� �������� ��!��� �������� ���� !������ �� ��� ��� ���� ������� ���� ��!� ����� � ��� ����� �"- �� �!�+� �� ����� ��� ����������� ��!��� �������� �� �� �� �9�!� ��� �� )��� �� �"��! ��������� ��!�� 6+E8� �� �" ��� �� ������ � ��) �� )������� ��� ��� ��� �"��������� � &� �� ������� �)� �� )��� ������� �:���� �� ����� �� �� �������� @ -$ ���!����� ��) � ���� �� !��� ��� ��������� ������� ��� ����� �� �� �� �� �����#�������� ����) � !���$ +$ � �� ����� �� ;� ������ !������ )�� � ���� �" ��"������ ��� ���� )�� ����) ������ ��;�!�� �" ��� !����)�� "��! ��� ��������� � �� �������� ����� ����� � � �" �%�� ���� ������ � �� �� �����!� ������ 6+-8 ��)����� ��� ������ ���������� �����%�� (�� ����� � ���� ������ )��� !�� �� ������ � ������ ����� "�� ��� ���� �" ���� ������ � ��� ����� ������������� �� �� �9��� ��� �������� �" !������ ����� � ����������� ���� �" ��"������ ��� ������� "���� ������ ��� ��"������ ��9 ����� � ��� �� �� ��� � � �� ��� ���' ������ ����� )��� ��� '���� ��� )������� �� � ��)����� 6+E8� N������ � )� ��!� ������ ���� �����"������ ��9 �" ����!��� !������ �� �� ;�%���� ���� � )�� ���� #� � -�7�+�=$ 6+C8 ������� � )�� ��%������� !��� �" � ��%��� !������� ��� ������ ���� � ��� �:�������"������ ��9 �����9!��� )���� �� ������%�� ��� ������� !9���� �" �)� !������ �" ����� ��) ��"������ ��9 �� �� ������ �� ����� ���)�� ��� �)� ��"������ ��� � /�� !� ������ ����!�� ���� ��"������ ��9 ����������) �)� � ����� �� �� ��� �� ��� ��� ��%"������ ��9 ����� �� �� ��) �� ���� � ������������� ����� ��%������� #��� � ��%"������ ��9$�

5�� 7 ��) ��� ��"������ ��9 � � "�����" )�������� "�� ������ ����!� "����� �" /�+

��%������� ������ )�� ��� ��1 ����!���/�� /�+ �� � ��) ��"������ ��9 #� � -�=$ ��� ��� ��� ��"������ ��9 �" ��1 ��))��� # �� 5�� 7$� ( ����� �� ��!�� ��� "�� ��� ��)!����� � )��� � �� ��� ������� �" � ��� ��

5�� >� /���!��� �� ����� �" � ����!�� �� �� ;��� �:���

��� ����

5�� =� ������ !����� !�� ���� "�� �5� ��1%������!�� ��

��1 #��!�����!��$�

-=D () ������� �� ��) * +������ !�������� ,- .���,/ ,001,2�

��� ��� ��� �" ��� ��%������� � )� "��� ���� � ���� �� ���� ��� ����� � ���� ��� ��%������� '��� )�� ��� �� 0� �������� ������� ��������� �� '���� � )��� ����)�������� ���!��� ���� �� �� � )� �� ��� �� ����� ��� ��������� )��������� � ���� ������ ��� ������ �� �����#��� �� ������ �� �����$� &��� �� ������ ������ ����� � ��� �:�� )��� �� ��� �� �����)���'� ��� %���� �" ����!�� � � ��%������� � ��� �%���� �� ���� � ��� �� ������ "��)��� �� ������ ���� ������������� ����� ���� � ��� #������� $ �� �#���� $ �� �" ��� )��������

��� �� � �� ���� ��� �� ��� ����� �" ���������! �" !�'� � ����������� ��!��� ����%!�� �� �� ��� ������ ����� �� ����� ���� � ������ )�� ��� ��������� ��� ������ �� ������� �� ����������� ��!� ��) !����� �!%�������� 6B�+=�+>8� �� �� ����� "��� ������)���! �� �9���� �� ��� !������ !�� ���� � "��� &��� �� !�� ��! �� �� �"���!���� ������! � ����� �� �� ��� �� ��% �?;� � !������ )���� ��� ������� �" ������%�� ����� �� ������ �� �� �;����

�� �������� )� ���� ��� ������ ������� ���%�� �9�!��� ���� ����!�� �� �� ����� �� ���� ����� � ���� ������� "�� � ���� �" �)�� ������ �������� � <�������� ��� I�� ���)��� ��� �������� ����� ��� ���� �"���� �� �� �!��!� "���!���� ��� ���

����� � � )��� � ���!��� ���� �� �����%��� � &� �9���� ��� � !������ �� ����!� ���!��� ��������� )�� ���� ������ � �����)�� ��%��������� �� ������ )�� �� ����%*���

�����

6-8 ���� 0�������� � ������ 0������� 2�N� 0��)� N���

<��' � �� <��'��� N��� 5���� ��4� 0�� � 2�0�

���!� � ������ EC7 #-BB,$ =EB -BB,�

6+8 ����<� ���� � ��2� &�� �� ���� O�����!� .�2� <�� �%

���� N��� 5���� /��� <������ 2�0� ���!� � ������ E7>

#-BB=$ CBD�

6E8 2� ������������ P� 0��� 2� <�'� �� �� 4�I����!� 1�

N� �� Q� 5��� �� ���*� �� N���� � 2���� ��� � 4��� 7E

#-BBD$ -C+�

6C8 �� /������ � �� �� ���� N��� 5���� /���� +D, #-BBD$

-7C-�

6=8 �� �� ���� O��� ����� N��� 5���� ������ ED+ #-BB>$

>B=�

6>8 2��� ������� /��� /���� ��!!�� -,7 #-BBD$ >7E�

678 N��� 5���� N�&� O�!��� 2�0� ���!� � ���� 0�������� �

N��� <��' � �� ����� ������ 0������� ��2� �� ��� �

��4� 0���� � <� 4������� &�N� /�����'� ������ EB7

#-BBB$ -+-�

6D8 �� ������� N� ������� �� ������� ��� � N��� 0 => #-BB7$

-+7,+�

6B8 �� �� ���� ���� ���� �� N��� 5���� 2��� <����� -,

#-BBD$ >C�

6-,8 ��O� 4�*��� ������ 0������� /�5� 2�������� ��5� /������

������ ED> #-BB7$ -E=�

6--8 ���� ���� �� �� ���� N��� 5���� /���� <��� -,+

#-BBB$ --,D�

6-+8 ���� ���� N��� 5���� �� �� ���� �� 2���� ��� � D>

#-BBB$ =-->�

6-E8 ��&�<� 0��!� <���<� �� ���� �� 4������!� ����!�

2��� ������� B #-BBD$ EB,�

6-C8 ��/� ���� � (��� ��!������ ��4� /!��� �� 2���� ��� � D+

#-BB7$ >E-B�

6-=8 O�O� <������ � ���� /����� �� 2���� ��� � D= #-BBB$ 7C+>�

6->8 ���� O�����!� N��� 5���� ������ 0������� 2���

<����� > #-BBC$ CB-�

6-78 2�N� 0��)� 2� ��!�� ��<� ����� ��<� ������)� /����

+7, #-BB=$ B7+�

6-D8 �� /������ � ���� 0��)� N��� 5���� <�<� ��� ��

�� 0��������� 0�<�&� 4��������� � 2����� /�����

N�2��� �� �� .�&� <� ��� �� ���)�� ��<� �� ����)�

������ C,- #-BBB$ >D=�

6-B8 <��� <������� <�2� ��*������ 5� ���� N� O����� .���

<����� �� <� � � 2��� ������� 2���� ��� � 4���� 7+ #-BBD$

-=E>�

6+,8 2� ������������ <� 0������� N�.� /�� ���� P� 0��� 2�

�!'�� �� /������� .� 4� '�) '� ��.� ���*� ��

5�� 7� ��� ��"������ ��9 � ��� � �" � !9���� #����$ �"

��� ����!�� ��1 �� /�+ ��%������� "�� � "�) ����!�

"����� �" ��� ��%������� �

() ������� �� ��) * +������ !�������� ,- .���,/ ,001,2� -=B

����!� �� (... �� /������� ���� R����! .������� C

#-BBD$ >7�

6+-8 1�O� ��*���� O� ������ ������� ��.� 0����) � 1�0�

����;� �� &��� /�Q� ����� /�N� 5���� �� (... ��

R����! .������� E> #+,,,$ -D�

6++8 /�1� 5������ <� /�'���� 2� 5� � �� Q� ��� P�1�

1������ (... �� R����! .������� E> #+,,,$ +�

6+E8 �� �� ���� 2��� <����� -- #-BBB$ E>E�

6+C8 ������ ��� ��/� ���!� � N��� 5���� �� �� ���� /����

+D= #-BBB$ +EE�

6+=8 1�O� ��*���� ��.� 0����) � O� ������ ������� /�N�

5���� �� 2���� ��� � 4���� 7C #-BBB$ -,=7�

6+>8 <� N����'��� �� 0� ���� 2���� ��� � 4���� >B #-BB>$

7,�

->, () ������� �� ��) * +������ !�������� ,- .���,/ ,001,2�