Μικροηλεκτρονικές και νανοηλεκτρονικές διατάξεις ημιαγωγών για σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα

Abstract

With the advent of nanotechnology the synthesis of nanostructured materials and their useful applications have become increasingly prominent. Nanostructuring can enhance the performance of functional materials and provides them with unique properties. Among others, transition metal oxide are well known as wide bandgap semiconductors (Eg ~3eV).On the other hand, the development of efficient and stable organic semiconductor based optoelectronic devices (namely plastic optoelectronics), such as light-emitting diodes (OLEDs) and photovoltaics (OPVs), has attracted tremendous interest due to their potential applications in flexible, lightweight, low cost displays, solid-state lighting panels and solar cells respectively. Combination with inorganic semiconductors is expected to produce more stable, high performance hybrid-organic devices that could combine advantageously the solution processability, the high hole mobility and the high luminescence quantum efficiency of the organic materials with the high electron mobility of the inorganic ones, allowing at the same time the fundamental processes of exciton formation and charge carrier transport to be separated and tuned individually. In this regard, we investigate here the role of nanostructured tungsten and molybdenum oxides in their fully oxidized (WO₃, MoO₃) and their substoichiometric forms (WOx and MoOx, x<3) as efficient charge injection and transport layers at the anode/organic semiconductor interface with metal electrodes. The metal oxide films used in this study were fabricated by a deposition technique using a filament heated in vacuum, a method that can be applied for all metallic oxides having higher vapor pressure than the corresponding metal. In this study, tungsten and molybdenum oxide films with different stoichiometry were deposited by heating the corresponding metallic filament in a rough vacuum chamber under certain deposition conditions. The improvement of the device performance was studied with respect to the films properties, hence a full scale examination of the structural and electrical properties of the metal oxide films was attempted. After the structural and electrical characterization, the films were used as interfacial layers in devices, and in particular at hybrid OLEDs and OPVs. The devices were characterized for electrical and optical properties before and after the insertion of the reduced metal oxide layers. Improved efficiencies and operational stabilities were achieved with the presence of the metal oxides layer. These results are associated with the improved charge injection and transport at the interfaces with Al.

Με την έλευση της νανοτεχνολογίας η σύνθεση νανοδομημένων υλικών και η τροποποίηση της ηλεκτρονικής δομής απέκτησαν μεγάλη σημασία κυρίως λόγω των χρήσιμων εφαρμογών τους σε ηλεκτρονικές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις και οι εξαιρετικά χρήσιμες εφαρμογές τους έχουν αρχίσει να γίνονται ιδιαίτερα σημαντικές. Η νανοδόμηση μπορεί να ενισχύσει την απόδοση των χαρακτηριστικών του υλικού προσδίδοντάς τους μοναδικές ιδιότητες. Μεταξύ των υλικών που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι και τα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης, όπως τα οξείδια του μολυβδαινίου, που είναι γνωστά για δεκαετίες ως ημιαγωγοί ευρέως ενεργειακού χάσματος (~3eV). Από την άλλη πλευρά η ανάπτυξη οπτικοηλεκτρονικών συσκευών που βασίζονται σε οργανικούς ημιαγωγούς (δηλαδή πλαστικές οπτικοηλεκτρονικές συσκευές), όπως οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (OLED) και τα οργανικά φωτοβολταϊκά (OPV), έχει προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον λόγω της δυνατότητας που έχουν για εφαρμογές σε πάνελ φωτισμού στερεάς κατάστασης, σε ηλιακά στοιχεία, σε φθηνές οθόνες, κλπ. Λόγω της αστάθειας των οργανικών υλικών όμως σε έκθεση περιβαλλοντικών συνθηκών συνδυασμός των οργανικών με ανόργανους ημιαγωγούς αναμένεται να παράγει πιο σταθερές υβριδικές-οργανικές συσκευές υψηλής απόδοσης που μπορούν να συνδυάζουν επωφελώς την δυνατότητα επεξεργασίας από διάλυμα, την υψηλή κινητικότητα οπών και την υψηλή απόδοση κβαντικής φωτεινότητας των οργανικών υλικών με την υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων και τη σταθερότητα των ανόργανων υλικών. Από την άποψη αυτή, διερευνούμε εδώ το ρόλο των νανοδομημένων οξειδίων βολφραμίου και μολυβδαινίου στις πλήρως οξειδωμένες και υποστοιχειομετρικές μορφές τους (WOx και ΜοΟχ, x<3) ως αποδοτικών υμενίων έγχυσης και μεταφοράς φορτίου στη διεπιφάνεια του οργανικού ημιαγωγού με τα ηλεκτρόδια. Τα υμένια οξειδίου του μετάλλου που χρησιμοποιούνται σ’ αυτή τη μελέτη παρασκευάσθηκαν με μια τεχνική εναπόθεσης με τη χρήση ενός νήματος που θερμαίνεται σε κενό, μια μέθοδο που μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα μεταλλικά οξείδια με υψηλότερη πίεση ατμών απ’ αυτή του αντίστοιχου μετάλλου. Τα διαφορετικής στοιχειομετρίας υμένια των οξειδίων του βολφραμίου και του μολυβδαινίου εναποτέθηκαν κατόπιν θέρμανσης του αντίστοιχου μεταλλικού νήματος σε ένα θάλαμο κενού κάτω από διαφορετικές κάθε φορά συνθήκες εναπόθεσης. Η βελτίωση της απόδοσης της συσκευής μελετήθηκε αναφορικά με τις ιδιότητες των υμενίων, ως εκ τούτου έγινε απόπειρα συστηματικής εξέτασης των δομικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των υμενίων οξειδίου του μετάλλου. Μετά το δομικό και ηλεκτρονικό χαρακτηρισμό, τα υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως διεπιφανειακά υμένια στις συσκευές, και πιο συγκεκριμένα σε OLEDs και OPVs. Οι συσκευές εξετάσθηκαν ως προς τις ηλεκτρο-οπτικές τους ιδιότητες πριν και μετά την εισαγωγή των στρωμάτων μεταλλικών οξειδίων και διαπιστώθηκε βελτίωση στην απόδοση και τη σταθερότητα κατά την λειτουργία των συσκευών που περιείχαν μεταλλικά οξείδια.