Электролюминесценция

Электролюминесценцией называют свечение вещества, вызванное прохождением электрического тока или действием электрического поля. Это разновидность люминесценции, при которой возбуждение электронных состояний происходит не за счёт поглощения света (как в фотолюминесценции), а в результате электрических процессов — инжекции носителей заряда, их рекомбинации или воздействия высокочастотного поля.

Электролюминесценция наблюдается как в неорганических, так и в органических веществах и активно используется в таких областях, как дисплейные технологии (LED, OLED), индикаторы, освещение, сенсоры и прочее. Это явление делится на две основные категории: инжекционная и возбуждаемая электролюминесценция.

Инжекционная электролюминесценция

Инжекционная электролюминесценция возникает в структурах, содержащих p-n-переход, при подаче прямого напряжения. Процесс состоит из следующих этапов:

  • Инжекция электронов и дырок в активный слой;
  • Рекомбинация носителей с испусканием фотона;
  • Эмиссия света наружу через прозрачный электрод или подложку.

Классическим примером является светодиод (LED), в котором p-n-переход из полупроводников (например, GaAs, GaN, InGaN) служит источником излучения. Энергия испускаемых фотонов определяется шириной запрещённой зоны полупроводника:

Eфотона ≈ Eg

где Eg — ширина запрещённой зоны материала.

Квантовый выход инжекционной электролюминесценции зависит от вероятности радиационной рекомбинации и эффективности извлечения света из полупроводника (ввиду его высокого показателя преломления).

Возбуждаемая (индуцированная) электролюминесценция

Этот механизм характерен для тонких диэлектрических слоёв, помещённых между электродами. Свет возникает при воздействии переменного (высокочастотного) напряжения, когда:

  • Электрическое поле ускоряет электроны;
  • Электроны возбуждают атомы или ионы матрицы;
  • Возбуждённые состояния переходят в основное с испусканием света.

Такой тип электролюминесценции называют электрополевой или диэлектрической. Типичным материалом здесь является сульфид цинка (ZnS), легированный марганцем или другими элементами.

Важными характеристиками являются:

  • Порог возбуждения — минимальное напряжение, необходимое для начала свечения;
  • Цвет излучения — определяется природой легирующих добавок;
  • Долговечность — ограничена деградацией люминофора под действием полей.

Энергетическая схема процессов

Инжекционный механизм (p-n-переход):

  • Электроны переходят из зоны проводимости n-области в зону проводимости p-области;
  • Дырки — наоборот, из валентной зоны p-области в валентную зону n-области;
  • На границе происходит рекомбинация:

e− + h+ → hν

где hν — энергия испущенного фотона.

Полевая электролюминесценция:

  • Электроны ускоряются в поле и возбуждают центры:

e− + A → A*

A* → A + hν

Здесь A* — возбужденный люминофор.

Характеристики и параметры

Спектральная характеристика электролюминесценции зависит от:

  • типа используемого материала;
  • уровня легирования;
  • архитектуры прибора (толщина слоёв, отражающие подложки и пр.).

Яркость излучения определяется плотностью тока и эффективностью генерации фотонов. При высокой плотности тока может происходить:

  • перегрев структуры;
  • нелинейность зависимости яркости от тока;
  • деградация материалов (особенно в органических структурах).

Для повышения эффективности применяют:

  • отвод тепла;
  • структурную оптимизацию;
  • оптические ловушки и отражатели;
  • использование квантовых точек и многослойных гетероструктур.

Органическая электролюминесценция (OLED)

Органические светодиоды (OLED) основаны на тонких слоях органических молекул или полимеров, способных испускать свет при прохождении тока. Процесс включает:

  • инжекцию электронов и дырок с катода и анода;
  • транспорт заряда по органическим слоям;
  • рекомбинацию с образованием экситонов;
  • радиационный распад экситонов с испусканием света.

Основные компоненты OLED-структуры:

  • прозрачный анод (чаще всего ITO);
  • слой-эмиттер;
  • электронно-транспортный слой;
  • металлический катод.

Преимущества OLED:

  • высокая контрастность;
  • гибкость;
  • малая толщина;
  • возможность получения полных RGB-спектров;
  • низкое энергопотребление при использовании активного управления.

Недостатки:

  • ограниченный срок службы;
  • чувствительность к влаге и кислороду;
  • сложность масштабного производства.

Квантовая электролюминесценция и перспективы

Развитие наноструктурированных материалов, в частности квантовых точек, привело к появлению квантовых светодиодов (QD-LED). Их особенностью является дискретная структура энергетических уровней, что позволяет точно контролировать цвет излучения:

$$ E_{\text{излучения}} = \frac{h^2 \pi^2}{2 R^2 m^*} $$

где R — радиус квантовой точки, m* — эффективная масса носителя.

Квантовые источники демонстрируют:

  • высокую цветовую чистоту;
  • устойчивость к температурным колебаниям;
  • потенциальную возможность создания одиночных фотонных источников, необходимых для квантовой криптографии и фотонной логики.

Применение и технологическая значимость

Электролюминесценция лежит в основе множества современных технологий:

  • Дисплеи: ЖК-подсветка, OLED-дисплеи, QLED.
  • Освещение: белые светодиоды, архитектурное и автомобильное освещение.
  • Сенсоры и индикаторы: сигнальные огни, оптроны, оптопары.
  • Информационные панели: транспорт, реклама, приборные доски.
  • Медицина: фототерапия, диагностические маркеры.
  • Квантовые технологии: детекторы одиночных фотонов, фотонные чипы.

Преимущества электролюминесцентных систем:

  • высокая энергоэффективность;
  • широкий спектр цветовой настройки;
  • точность управления интенсивностью;
  • миниатюризация и интеграция в электронные схемы.

В перспективе дальнейшее развитие технологий электролюминесценции связано с:

  • поиском новых материалов (перовскиты, органические молекулы);
  • увеличением срока службы органических структур;
  • созданием гибких и прозрачных светящихся панелей;
  • интеграцией в смарт-текстиль, носимую электронику, медицинские устройства.
Оглавление