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Semiconductor Composites for Solid-State Lighting

Jama, Mariel Grace :
Semiconductor Composites for Solid-State Lighting.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Semiconductor Composites for Solid-State Lighting
Language: English
Abstract:

Inorganic-organic semiconductor heterostructures have been subjects of interest for solid-state lighting (SSL) in the last decades due to the potential for simultaneous utilization of the complementary favorable properties of two distinct material classes for producing light. This work proposes a hybrid composite active layer design for light emission which combines inorganic and organic semiconductors. Particular to this composite design, light- emitting organic semiconductor molecules are embedded in an ambipolar charge- transporting inorganic semiconductor matrix. The embedded molecules serve as the radiative recombination sites for charge carriers that are injected into the matrix. Coming up with a composite layer may seem to be just a plug-and-play of different inorganic and organic semiconductor combinations. However, there are several fundamental requirements to make the concept work. Very important factor in realizing high efficiency devices are the properties of the interfaces between the different components because they often govern the physical properties of the overall structure. With this in mind, the energy level alignments at the interfaces of the candidate material combinations and the different chemical interactions taking place at such interfaces were investigated by photoelectron spectroscopy (PES). For the energy level alignment, the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the organic dye should be situated in between the valence and conduction bands of the inorganic semiconductor. This alignment provides the necessary energetic driving forces for electron and hole transfers from the charge-transporting inorganic matrix to the light-emitting organic molecules. The PES investigations were focused on the interface formations of these two types of materials in three deposition configurations, namely: the inorganic/organic bilayer, the composite layer and the organic/inorganic bilayer. Additionally, the interface between the inorganic and organic part has to be of high purity and electronic perfection, as otherwise defect states will destroy the coupling of the two materials. By interpreting PES data, we also determined and described the chemical composition of the interface and the resulting coupling of the two materials on the atomic scale. Furthermore, as one of the advantages of hybrid designs, energy transfer from the matrix to the dopant is another possible route for obtaining light emission from the organic dopant. Therefore, another factor to look into would be the resonance between the exciton energies of the inorganic and organic materials. With this in mind and in conjunction with available experimental methods, the room-temperature (RT) photoluminescence (PL) of the hybrid composite active layer was investigated using a high energy laser for exciting the inorganic matrix. The idea here is to exclusively excite the matrix; if there is a light emission coming from the dopant, then it could hint at two possible mechanisms: one is energy transfer and the other is charge transfer from the excited matrix to the dopant. As one of the candidate material combinations, zinc selenide (ZnSe) and a red emitter, Ir(BPA), were investigated. Bilayer and composite thin films of ZnSe and Ir(BPA) organic light emitter were prepared in situ by UHV thermal evaporation technique. The measured energy band alignments for the ZnSe/Ir(BPA) bilayer and ZnSe+Ir(BPA) composite reveal that the HOMO and LUMO of the organic dye are positioned within the ZnSe bandgap. For the initial steps of ZnSe deposition on a dye film to form Ir(BPA)/ZnSe bilayers, zinc atoms were found to intercalate into the dye film leaving behind an excess of selenium at the interface that partly reacts with dye molecules. PES of the composites shows the same chemical species suggesting a similar mechanism. This mechanism leads to composite films with increased content of amorphous phases in the inorganic matrix. The PL spectra of composite films showed a relative enhancement of the emissions coming from the films with low dye concentrations as compared to the films with higher concentrations. This enhancement may hint at a charge transfer and/or an energy transfer from ZnSe to Ir(BPA). Proof of concept for the novel composite design is provided by a device that was fabricated with an active layer that is composed of alternating layer sequences of ZnSe and Ir(BPA). Weak areal emission and red intermittent sparks were visually observed from the device. Overall, several challenges in realizing the hybrid composite active layer design were uncovered during the course of this work. From the results of the PES measurements on several material combinations, it is found that the position of the Fermi level in the pristine inorganic semiconductor and the pristine organic light emitter strongly directs the resulting energy level lineup in the bilayer and composite upon thermodynamic Fermi level equalization at the interfaces. A large interface dipole formation at the material interface can positively reinforce the desired alignment for the proposed composite design. In addition, reactive interfaces of certain compositions are formed rather than the desired abrupt material interface. This reactive interface can hinder efficient charge and energy transfers, impede charge carrier conduction and supply nonradiative recombination sites. Furthermore, alternatives for a less-chemically reactive deposition method are limited by the availability of techniques that are compatible for inorganic-organic layered and composite depositions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Anorganisch-organische Halbleiterheterostrukturen genossen in den letzten Jahrzehnten viel Beachtung in der Festkörperbeleuchtung, und zwar aufgrund des Potentials, sich gegenseitig ergänzende vorteilhafte Eigenschaften zweier unterschiedlicher Materialklassen simultan zu nutzen, um Licht zu erzeugen. Diese Arbeit schlägt ein Design der aktiven Schicht eines Hybridkomposits zur Lichtemission vor, welches anorganische und organische Halbleiter kombiniert. Das Besondere an diesem Kompositdesign ist, dass die lichtemittierenden organischen Halbleitermoleküle in einer ambipolaren, ladungstransportierenden anorganischen Halbleitermatrix eingebettet sind. Die eingebetteten Moleküle dienen als strahlende Rekombinationsstellen für die Ladungsträger, welche in die Matrix injiziert werden. Eine Kompositschicht herzustellen mag zunächst nur wie ein Plug-and-Play verschiedener anorganischer und organischer Halbleiterkombinationen erscheinen. Jedoch sind zahlreiche grundlegende Bedingungen zu beachten, damit das Konzept funktioniert. Ein sehr wichtiger Faktor bei der Realisierung hocheffizienter Bauelemente, sind die Eigenschaften der Grenzflächen zwischen den verschiedenen Komponenten, da diese oft die physikalischen Eigenschaften der Gesamtstruktur bestimmen. Zu diesem Zweck wurden die Ausrichtungen der Energieniveaus an den Grenzflächen der ausgewählten Materialkombinationen und die verschiedenen, an diesen Grenzflächen stattfindenden, chemischen Wechselwirkungen mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie (PES) untersucht. Für die Ausrichtung der Energieniveaus sollten das höchste besetzte Orbital eines Moleküls (HOMO) und das niedrigste unbesetzte Orbital eines Moleküls (LUMO) des organischen Farbstoffs zwischen den Valenz- und Leitungsbändern des anorganischen Halbleiters liegen. Diese Ausrichtung liefert die notwendigen energetischen Triebkräfte für Elektronen- und Lochtransfers von der ladungstransportierenden anorganischen Matrix zu den lichtemittierenden organischen Molekülen. Die PES-Untersuchungen konzentrierten sich auf die Grenzflächenbildungen bei diesen zwei Typen von Materialien in drei Depositionskonfigurationen: Die anorganische/organische Doppelschicht, die Kompositschicht und die organische/anorganische Doppelschicht. Des Weiteren muss die Grenzfläche zwischen dem anorganischen und organischen Teil von hoher Reinheit und elektronischer Perfektionen sein, da andernfalls Defektzustände die Kopplung der beiden Materialien zerstören würden. Durch die Analyse der PES-Daten haben wir außerdem die chemische Zusammensetzung der Grenzfläche und die resultierende Kopplung der beiden Materialen auf atomarer Ebene bestimmt und beschrieben. Einer der Vorteile des Hybriddesigns ist außerdem, dass der Energietransfer von der Matrix zum Dotierstoff einen weiteren möglichen Weg darstellt, eine Lichtemission vom organischen Dotierstoff zu erhalten. Daher galt es auch die Resonanz zwischen den Exzitonenenergien der anorganischen und organischen Materialien zu untersuchen. In diesem Sinne und in Verbindung mit den zur Verfügung stehenden Experimentalmethoden, wurde die Photolumineszenz (PL) bei Raumtemperatur (RT) der aktiven Schicht des Hybridkomposits untersucht, wobei ein Hochenergielaser zum Einsatz kam, um die anorganische Matrix anzuregen. Die Idee hierbei ist, ausschließlich die Matrix anzuregen. Denn falls eine Lichtemission vom Dotierstoff kommt, dann könnte es ein Hinweis auf zwei mögliche Mechanismen sein: Einen Energietransfer oder einen Ladungstransfer von der angeregten Matrix zum Dotierstoff. Als eine der möglichen Materialkombinationen wurde Zinkselenid (ZnSe) und ein roter Emittent, Ir(BPA), untersucht. Es wurden Doppelschichten und Komposit- Dünnschichten aus ZnSe und dem organischen Lichtemittenten Ir(BPA) in situ mit Hilfe des thermischen V erdampfungsverfahrens UHF hergestellt. Die gemessenen Energiebandausrichtungen für die ZnSe/Ir(BPA)-Doppelschichten und die ZnSe+Ir(BPA)- Komposite zeigen, dass die HOMO und LUMO des organischen Farbstoffs innerhalb der Bandlücke von ZnSe positioniert sind. Während der ersten Schritte der ZnSe-Deposition auf einen Farbstofffilm, um Ir(BPA)/ZnSe Doppelschichten zu erzeugen, fügten sich Zinkatome in den Farbstofffilm ein und hinterließen dabei einen Überschuss an Selenium an der Grenzfläche, welches teilweise mit den Farbstoffmolekülen reagiert. Die PES der Komposite zeigt die selbe Spezies, was auf einen ähnlichen Mechanismus hindeutet. Dieser Mechanismus führt zu Kompositschichten mit einem erhöhten Gehalt an amorphen Phasen in der anorganischen Matrix. Die PL-Spektren der Kompositschichten zeigten bei Schichten mit niedrigen Farbstoffkonzentrationen eine relative Erhöhung der Emissionen im Gegensatz zu Schichten mit höheren Konzentrationen. Diese Erhöhung kann ein Hinweis auf einen Ladungstransfer und/oder einen Energietransfer vom ZnSe zum Ir(BPA) sein. Der Machbarkeitsnachweis für das neuartige Kompositdesign wird durch ein Bauelement erbracht, welches mit einer aktiven Schicht hergestellt wurde, die aus sich abwechselnden Schichtsequenzen von ZnSe und Ir(BPA) zusammensetzt ist. Es wurden eine schwache räumliche Emission und rote intermittierende Funken an dem Bauelement optisch sichtbar beobachtet. Insgesamt konnten im Laufe der Arbeit mehrere Herausforderungen bei der Realisierung des Designs des Hybridkomposits mit aktiven Schichten aufgedeckt werden. Aus den Ergebnissen der PES-Messungen an den verschiedenen Materialkombinationen geht hervor, dass die Position des Ferminiveaus im unberührten anorganischen Halbleiter und dem unberührten organischen Lichtemitter stark die resultierende Energieniveau- Formation in der Doppelschicht und dem Komposit vorschreibt bei thermodynamischem Ferminiveau-Ausgleich an den Grenzflächen. Eine große Grenzflächen-Dipolbildung an der Materialgrenzfläche kann für das vorgeschlagene Kompositdesign die gewünschte Ausrichtung positiv verstärken. Zusätzlich werden anstelle der gewünschten abrupten Materialgrenzflächen reaktive Grenzflächen bestimmter Zusammensetzungen ausgebildet. Diese reaktive Grenzfläche kann effiziente Ladungs- und Energietransfers behindern, Ladungsträgerleitung erschweren und nichtstrahlende Rekombinationsstellen liefern.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 26 Feb 2016 15:04
Last Modified: 26 Feb 2016 15:33
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53047
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Hadziioannou, Prof. Dr. Georges and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Stark, Prof. Dr. Robert
Refereed: 27 October 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5304
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