All-inorganic White Light Emitting Devices Based on ZnO Nanocrystals

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Weißlichtemitter auf Basis von ZnO Nanokristallen

Es wird erwartet, dass Lichtemittierende Bauelemente mit Nanokristallen (NK) als aktive elektrolumineszierende (EL) Schicht die Zuverlässigkeit und lange Betriebsdauer von konventionellen Halbleitermaterialien mit den flexiblen, großflächigen Technologien organischer Leuchtelemente (OLEDs) vereinen können. Dabei weist ZnO ein hohes Potential als aktive Leuchtschicht in NK-LEDs auf: es ist weit verfügbar und zeigt effiziente Emission sowohl im sichtbaren als auch im ultraviolettem (UV) Bereich des Spektrums. Die Realisierung kosteneffizienter ZnO NK-LEDs bleibt eine große Herausforderung aufgrund der n-Typ Hintergrunddotierung und der großen Bandlücke, was eine effiziente Lochinjektion erschwert. Daher wurden bis jetzt nur wenige ZnO NK-LEDs realisiert, welche im DC-Betrieb bei Spannungen unter 100 V leuchten. Hierfür wurden zusätzliche organische Injektionsschichten verwendet, welche aber gleichzeitig anfällig gegenüber Feuchtigkeit, Sauerstoff und UV Strahlung sind und damit die Lebensdauer der Bauelemente begrenzen. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung komplett anorganischer weißer NK-LEDs auf Basis von industriell hergestellten ZnO Nanokristallen aus der Gasphase. Hierfür wurden zuerst die strukturellen Eigenschaften und die Emissionseigenschaften der ZnO NKs mit Hilfe von Elektronenmikroskopie und Photolumineszenz-spektroskopie (PL) untersucht. Dabei konnte ein möglicher Mechanismus der strahlenden Übergänge, welche das Spektrum im sichtbaren und UV-Berech bestimmen, vorgeschlagen werden. Im nächsten Schritt wurde ein anorganisches Prototyp-Bauelement entwickelt, welches eine Emission im Sichtbarem und UV bei Spannungen unter 10 V gezeigt hat. Wegen des einfachen Designs konnten zum ersten Mal PL, EL und IU-Verhalten der Bauelemente korreliert werden, wodurch ein möglicher Emissionsmechanismus vorgeschlagen werden konnte. Als nächstes wurde ein fortgeschrittenes Design entwickelt, was auf einer lösungsmittel-prozessierbaren Heterostruktur aus ZnO NK und p-dotierten Si NK basiert. Dadurch konnte die Emissionsintensität um mehr als einen Faktor 15 gesteigert werden. Eine weitere Effizienzverbesserung wurde erreicht, indem eine Mischschicht aus beiden NK in der Mitte der aktiven Schicht eingebracht wurde, was die Balance zwischen den Ladungsträgern verbessern sollte. Die Bauelemente wiesen eine gute Stabilität mit einer Betriebsdauer von mehr als zwei Wochen ohne Verkapselung auf. Zudem zeigten sie eine großflächige weiße EL mit Farbwiedergabewerten (CRI) von bis zu 98. Abschließend wurden Metalloxid-NK-LEDs entwickelt welche aus leuchtenden ZnO in Kombination mit WO3 in einer Mischschicht-NK-Heterostruktur bestehen. Dabei agiert WO3 als natürlicher Elektronenextraktor (Lochgenerator) was bis jetzt im Zusammenhang mit ZnO nicht verwendet wurde. Die Bauelemente zeigten eine sehr gleichmäßige weiße Emission mit Farbwiedergabewerten um 92 und einer externen Quanteneffizienz von bis zu 2•10-4 %, welche bis jetzt die höchste im Fall von anorganischen ZnO NK-LEDs ist.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
ZnO, LED
Beitragende:
Prof. Dr. rer. nat. Bacher, Gerd [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. rer. nat. Schmechel, Roland [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
21.09.2012
Promotionsantrag am:
15.06.2012
Dateien geändert am:
06.11.2012
Medientyp:
Text