Luận án Nghiên cứu chế tạo oled khảo sát cấu trúc và các tính chất đặc trưng

1 MỞ ĐẦU Sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật trong thế kỷ XX có sự đóng góp to lớn của vật liệu bán dẫn. Chúng giúp cho con người có các công cụ tiện ích thuận lợi trong giao tiếp, lao động và học tập… Ngày nay, những vật dụng điện tử kỹ thuật cao trở nên không thể thiếu được cho loài người ở thế kỷ XXI. Trong quá trình phát triển của vật lý, quang bán dẫn (một trong những ngành quan trọng trong lĩnh vực bán dẫn) có thể tạo ra các nguồn sáng theo ý muốn (cụ thể là màn hiển thị, các nguồn sáng dễ dàng điều khiển được bằng máy tính …) giúp cho các dụng cụ điện tử cá nhân “thông minh” có thể “tiếp xúc” trực tiếp với “chủ nhân” của chúng, nhận lệnh điều khiển và đáp ứng hoặc cảnh báo các yêu cầu của họ…. Riêng trong lĩnh vực quang bán dẫn, màn hiển thị là một ví dụ tuyệt vời để minh chứng cho sự quan trọng của chúng trong khoa học kỹ thuật. Màn hiển thị giúp cho đời sống văn hóa cộng đồng trở nên phong phú, thêm đa dạng, như các màn hình siêu lớn, các tivi nhỏ gọn, màn hiển thị của điện thoại di động, các đèn trang trí… Sự phát triển của xã hội dẫn đến vấn đề năng lượng toàn cầu trở nên khủng hoảng trầm trọng (chủ yếu là năng lượng sử dụng cho nhu cầu cá nhân của loài người ngày càng tăng). Một trong những vấn đề lớn đặt ra cho khoa học kỹ thuật là các dụng cụ, thiết bị điện tử… phải ít tiêu tốn năng lượng “đầu vào” nhưng phải có hiệu quả “đầu ra” ngày càng cao (hiệu suất tăng, kích thước phải “siêu” nhỏ, “siêu” mỏng …) để phục vụ hiệu quả cho các nhu cầu cá nhân ngày càng tăng mà vẫn đảm bảo an toàn năng lượng toàn cầu. Trong bối cảnh đó, dụng cụ thiết bị phát sáng, hiển thị không là một ngoại lệ. Thiết bị hiển thị đầu tiên phục vụ cho nhu cầu của con người được phát minh vào những năm 50 của thế kỷ trước rất cồng kềnh, độ phân giải thấp, một màu, tiêu tốn nhiều năng lượng (cụ thể là Tivi đen trắng sử dụng linh kiện đèn điện tử) đã được thay thế bằng những thiết bị gọn nhẹ, nhiều màu, độ sáng cao, phân giải cao, tiêu 2 tốn ít năng lượng (Ti vi LCD, Plasma) vào cuối thế kỷ XX là một bước tiến đáng kể của khoa học kỹ thuật. Song hành với sự phát triển của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau, công nghệ vật liệu đóng vai trò then chốt cho sự phát triển khoa học kỹ thuật, mà nổi trội nhất là tìm ra và ứng dụng triệt để hai nguyên tố bán dẫn Si và Ge vào các linh kiện bán dẫn (tiền đề cho công nghiệp bán dẫn, điện tử và tự động hóa…) và Polymer với sự đa dạng về chủng loại và khả năng ứng dụng trong đời sống đã làm thay đổi bộ mặt khoa học kỹ thuật của thế kỷ XX so với các thế kỷ trước. Với các nguyên tố vô cơ hữu hạn, quá trình tổng hợp đa dạng hóa các loại vật liệu mới để có được những tính chất mới và ứng dụng mới ngày càng bế tắc thì vật liệu polymer với sự đa dạng về chủng loại (số lượng chủng loại polymer khác nhau gần như vô hạn) ngày càng thấm sâu vào các lĩnh vực khoa học kỹ thuật tiên tiến. Riêng trong lĩnh vực bán dẫn, các vật liệu thường được sử dụng trứớc đây là các hợp chất vô cơ, nay đã bị rất nhiều hợp chất hữu cơ (do con người tổng hợp được) có khả năng thay thế. Các polymer dẫn đa dạng về chủng loại có thể trở thành các chất bán dẫn cộng với các đặc thù riêng của chúng (dễ dát mỏng, mềm dẻo, dễ chế tạo …) ngày càng được các nhà khoa học quan tâm lưu ý và tập trung nghiên cứu để có thể ứng dụng thay thế hiệu quả cho các bán dẫn vô cơ khó chế tạo, giá thành cao… Các nghiên cứu gần đây chứng tỏ sự thâm nhập của polymer vào lĩnh vực bán dẫn vô cơ là các OLED, màng hiển thị hữu cơ, solar cell, sensor, linh kiện transistor hữu cơ, mạch tích hợp hữu cơ … dựa trên các polymer “kết hợp” hoặc “phân tử nhỏ” đã cho thấy tiềm năng ứng dụng cao của chúng. Xét riêng trong trường hợp màn hiển thị, màn hiển thị OLED (Organic light emitting diode) có nhiều ưu điểm đáng kể hơn so với màng hình LCD (màn hình tiên tiến nhất của thế kỷ XX do gọn, nhẹ, ít tiêu hao năng lượng…) như hiệu suất cao hơn, mỏng hơn, lượng màu nhiều hơn, độ phân giải cao hơn, góc hiển thị lớn hơn, ít tiêu tốn năng lượng …(xem phần giới thiệu chương I) và đặc biệt nhất là tính 3 “siêu mỏng” và “siêu dẻo” của chúng sẽ làm tăng khả năng ứng dụng của OLED cho các dụng cụ thiết bị chiếu sáng, hiển thị …trong tương lai gần. Đất nước ta đang trên đà phát triển kinh tế, công nghiệp điện tử và các ứng dụng của chúng đã và đang phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, cơ sở của sự phát triển vững mạnh phải dựa trên công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn thì gần như dậm chân tại chỗ do các thiết bị công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn gốc vô cơ quá đắt tiền và chi phí cho quá trình vận hành thiết bị quá cao… Kết quả là không chỉ công nghệ bán dẫn trong nước không phát triển mà các nghiên cứu cơ bản cho công nghệ bán dẫn ở các Trường Đại học, Viện Khoa học ở Việt nam cũng gặp rất nhiều khó khăn. Polymer dẫn và các ứng dụng đa dạng có thể có của chúng trong tương lai ở lĩnh vực bán dẫn có thể là một biện pháp lựa chọn thích hợp trong công nghệ bán dẫn ở Việt nam. Vì lý do đó đề tài nghiên cứu sinh được chọn về các polymer dẫn, khả năng chế tạo và ứng dụng chúng vào linh kiện bán dẫn, cụ thể là chế tạo và nghiên cứu các tính chất đặc trưng của OLED… tại phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật lý Chất rắn – Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Các nhiệm vụ chính được đặt ra của đề tài luận văn như sau: 1. Tổng quan và phân tích tài liệu cập nhật. 2. Xây dựng các hệ thiết bị công nghệ và đặc trưng tính chất. 3. Chế tạo vật liệu và linh kiện huỳnh quang hữu cơ và khảo sát tính chất đặc trưng của chúng. OLED dựa trên vật liệu polymer dẫn điện là linh kiện đa lớp hữu cơ với các vai trò khác nhau được chế tạo giữa điện cực dẫn điện trong suốt (anôt) và catôt kim loại. Việc tìm hiểu, chế tạo và nghiên cứu tính chất đặc trưng của các lớp khác nhau này là vấn đề cơ sở cho việc chế tạo linh kiện OLED. Do đó nhiệm vụ của nghiên cứu sinh là phải tự tiến hành các thí nghiệm theo yêu cầu đặt ra của đề tài tại phòng thí nghiệm ở trường Đại học Khoa học tự nhiên, trên cơ sở tham khảo các kết quả nghiên cứu mới nhất của các tập thể khoa học trên thế giới. 4 Trong quá trình thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn của GSTS Lê Khắc Bình và PGS-TS Nguyễn Năng Định, nghiên cứu sinh đã hoàn thành tất cả các nhiệm vụ được đề ra. Kết quả được trình bày trong luận án gồm 4 chương dưới đây: • Tổng quan phân tích tài liệu cả lý thuyết và thực nghiệm về polymer dẫn điện, phân tích và so sánh tính tương đồng của chúng với các bán dẫn vô cơ và cơ chế hoạt động của linh kiện OLED được trình bày ở chương I “POLYMER DẪN ĐIỆN VÀ LINH KIỆN PHÁT QUANG HỮU CƠ ”. • Nghiên cứu tìm tòi công nghệ chế tạo OLED, tiến hành xây dựng các thiết bị công nghệ cần thiết để chế tạo các màng đơn và linh kiện OLED, các thiết bị đo tính chất đặc trưng của linh kiện. Các hệ thực nghiệm đã được xây dựng tại Khoa Vật lý, trường ĐHKHTN, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh bao gồm các thiết bị công nghệ, như hệ phún xạ magnetron, hệ bốc bay polymer trong chân không, buồng sạch cách ly, hệ tạo điện cực kim loại trong chân không, hệ ủ nhiệt chân không, buồng chế tạo OLED trong chân không, hệ chế tạo OLED “tích hợp” và các hệ đặc trưng tính chất của OLED, như hệ đo quang huỳnh quang, hệ đo đặc trưng I-V và điện phát quang. Các hệ này được trình bày trong chương II “CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ” • Các màng mỏng dẫn điện trong suốt dùng làm anôt trong OLED đóng vai trò rất quan trọng, chúng vừa là nguồn cung cấp lỗ trống vừa cho phép ánh sáng phát ra từ chất phát quang (gọi là cửa sổ ‘thoát’ ánh sáng của linh kiện OLED). Hai loại màng mỏng dẫn điện trong suốt đã được chế tạo và khảo sát tính chất là In2O3 pha tạp Sn (Indium-Tin-Oxide) gọi tắt là ITO và ZnO pha tạp nhôm (Aluminium-Zink-Oxide) gọi tắt là AZO. Kết quả đặc trưng tính chất của ITO và AZO chế tạo bằng các phương pháp khác nhau, như phún xạ magnetron nhiệt độ thấp, chùm điện tử, solgel trên các loại đế thủy tinh và polyethilene được trình bày trong chương III “TÍNH CHẤT ĐIỆN VÀ QUANG CỦA ANỐT TRONG SUÔT ” 5 • Chương IV “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG HỮU CƠ” trình bày các kết mới về vật liệu và linh kiện OLED, gồm ba phần sau : 1. Tính chất của vật liệu phát quang hữu cơ. 2. Đặc trưng điôt của một số linh kiện OLED. 3. Tính chất quang huỳnh quang của một số vật liệu tổ hợp phát quang. Phần 1 trình bày quá trình chế tạo các màng bán dẫn hữu cơ (PVK, Alq3, MEH- PPV) và nghiên cứu các tính chất đặc trưng cơ bản của chúng (cấu trúc, phổ truyền qua, hấp thụ trong vùng khả kiến, tính chất quang phát quang và điện phát quang của vật liệu...). Bên cạnh đó, phần này cũng trình bày quá trình chế tạo các hạt nano ôxit kim loại có độ rộng vùng cấm lớn như TiO2 và các cấu trúc màng TiO2 có các lỗ xốp rỗng đều đặn kích thước vài trăm nano được dùng để biến tính các màng polymer và làm tăng hiệu suất hấp thụ, phát quang của chúng. Phần 2 trình bày quá trình chế tạo các linh kiện OLED với các cấu trúc khác nhau và nghiên cứu các tính chất I-V, điện phát quang của linh kiện. Khảo sát ảnh hưởng, tác động của môi trường lên tính chất điện phát quang của vật liệu... Phần 3 trình bày một số nghiên cứu và chế tạo vật liệu mà chúng tôi thực hiện được có thể mở rộng và phát triển như chế tạo các nano ôxit kim loại (phần 1), chế tạo các cấu trúc ôxit titan xốp rỗng có thể chứa polymer dẫn (phần 1), các cấu hình composit hay tổ hợp lai giữa polymer dẫn và nano ôxit kim loại có độ rộng vùng cấm lớn để làm tăng tính chất phát quang của polymer... đang là các vấn đề cập nhật nhất của công nghệ chế tạo OLED hiệu suất cao. Thông qua quá trình nghiên cứu trên chúng tôi bước đầu phát triển một loại OLED có tính năng kết hợp hai tính chất dẻo và trong suốt có hướng phát xạ qua bề mặt, dựa trên các polymer “phân tử nhỏ” Alq3… và polymer “kết hợp” MEH-PPV,… có các điện cực trong suốt ITO và AZO đóng vai trò là anốt và catốt. Điểm nổi bật của OLED cấu hình phẳng dẻo trong suốt này là màng dẫn điện trong suốt AZO được 6 phủ trên đế hữu cơ thay thế cho các catốt kim loại công thoát thấp dễ bị tác động của môi trường (oxy hoá …) làm ảnh hưởng đến tính năng phun điện tử và làm giảm tuổi thọ của OLED. Bên cạnh đó, kỹ thuật tạo các pixel màu, bao gồm 03 màu cơ bản (xanh da trời, xanh lá cây và đỏ) với tỷ lệ màu pha trộn khác nhau trên cùng một pixel để tạo được màu mong muốn, đòi hỏi phải chế tạo được OLED trong suốt hai mặt. Qua quá trình thực hiện đề tài, mặc dù gặp phải rất nhiều khó khăn về trang thiết bị và hóa chất hiếm hoi, nghiên cứu sinh đã hoàn thành tốt luận án với các quy trình công nghệ và công trình khoa học mới. Các kết quả đã được công bố tại các hội nghị, tạp chí chuyên ngành trong và ngoài nước. Đồng thời, chúng tôi đã xây dựng được một phòng thí nghiệm về vật liệu phát quang hữu cơ ở Bộ môn Vật lý Chất rắn, Khoa Vật lý thuộc trường Đại Học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM, mở ra hướng nghiên cứu vật liệu bán dẫn hữu cơ phát quang của Bộ môn.