Name: development of efficient oleds from solution deposition
Uploaded: 2022-11-04T12:30:00
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저자는 Marie Sklodowska-Curie 보조금 계약 번호 674990에 따라 유럽 연합의 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램의 "EXCILIGHT" 프로젝트를 인정하고자 합니다. 이 작업은 또한 FCT / MEC를 통해 국가 기금으로 자금을 조달하는 i3N, UIDB / 50025/2020 및 UIDP / 50025 / 2020 프로젝트의 범위 내에서 개발되었습니다.

주의 : 다음 단계에는 다른 용매 및 유기 물질의 사용이 포함되므로 취급시 적절한주의를 기울여야합니다. 흄 후드와 실험실 안경, 안면 마스크, 장갑 및 실험실 코트와 같은 보호 장비를 사용하십시오. 재료의 계량은 고정밀 스케일 기계를 사용하여 정밀하게 수행되어야 합니다. 기판의 청결, 박막의 용액 증착 및 증발을 보장하기 위해 모든 절차는 통제 된 환경 또는 글로브 박스에서 수행하는 ?...

간단한 장치 구조에서 효율적인 OLED를 제조하기 위해 여기에 사용되는 프로토콜은 비교적 간단합니다. 전기적 이동성은 장치 층의 재료 구성에 의해 변조 될뿐만 아니라 필름 형태에 따라 크게 달라집니다. 용액의 준비와 용매 및 농도의 적절한 선택이 중요합니다. 물질 응집이 발생할 수 없으므로 나노 미터 규모에서 완전한 용해도를 의미합니다. 용액의 점도를 관찰하는 것도 중요합니다. 점도?...

일상 생활에서 사용되는 유기 전자 제품의 증가는 탁월한 현실이되었습니다. 여러 유기 전자 응용 프로그램 중에서 OLED가 아마도 가장 매력적일 것입니다. 이미지 품질, 해상도 및 색상 순도로 인해 OLED는 디스플레이의 주요 선택이 되었습니다. 또한 매우 얇고 유연하며 가볍고 쉽게 색상 조정 가능한 OLED에서 넓은 면적 방출을 달성할 수 있는 가능성은 조명에 적용됩니다. 그러나 대 면적 이미 터의 제조 공정과 관련된 일부 기술적 문제로 인해 추가 적용이 연기되었습니다.
낮은 인가 전압에서 작동하는 최초의 OLED1를 통해 외부 양자 효율(EQE)은 낮지만 솔리드 스테이트 조명을 위한 새로운 패러다임이 설계되었습니다. OLED EQE는 방출 된 광자 (빛)와 주입 된 전기 캐리어 (전류)의 비율로 얻어진다. 최대 예상 EQE에 대한 간단한 이론적 추정치는 ηout xη int 2와 같습니다. 내부 효율(ηint)은η int = γ x x <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61071/61071eq01.jpg" style="margin: auto;"> ΦPL로 근사할 수 있으며, 여기서 γ는 전하 균형 계수에 해당하고<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/61071/61071eq01.jpg" style="margin: auto;">, ΦPL은 광발광 양자 수율(PLQY)이고, 는 발광 엑시톤(전자 정공 쌍) 생성의 효율이다. 마지막으로,아웃커플링 효율2 η. 아웃커플링을 고려하지 않는 경우 (1) 재료가 방사적으로 재결합하는 엑시톤을 생성하는 데 얼마나 효율적인지, (2) 방사층이 얼마나 효율적인지, (3) 장치 구조가 균형 잡힌전기 시스템을 촉진하는 데 얼마나 효율적인지의 세 가지 주제에 주의를 기울입니다.
순수 형광 유기 방출기는 내부 양자 효율(IQE)이 25%에 불과합니다. 스핀 규칙에 따르면, 삼중 항에서 일중 항 (T→S)으로의 복사 전이는 금지되어 있습니다4. 따라서, 여기 된 전기 캐리어의 75 %는 광자의 방출에 기여하지 않는다5. 이 문제는 유기 이미 터 인광 OLED 6,7,8,9,10에서 전이 금속을 사용하여 처음 극복되었으며, IQE는 100 % 11,12,13,14,15,16에 가까운 것으로 알려졌습니다. . 이것은 유기 화합물과 중전 금속 사이의 스핀 궤도 결합 때문입니다. 이러한 이미 터의 단점은 높은 비용과 열악한 안정성입니다. 최근 Adachi17,18에 의한 여기 된 삼중 항과 단일 항 상태 (∆EST) 사이의 에너지 분리가 낮은 순수한 유기 화합물의 화학적 합성에 대한보고는 새로운 프레임 워크를 야기했습니다. 새로운19는 아니지만 OLED에서 TADF 공정을 성공적으로 채택함으로써 전이 금속 착물을 사용하지 않고도 높은 효율을 얻을 수있었습니다.
이러한 금속이없는 유기 이미 터에서, 삼중 항 상태의 여기 된 캐리어가 일중항 상태로 채워질 가능성이 높다. 따라서 IQE는 100%5,20,21,22의 이론적 한계를 달성할 수 있습니다. 이러한 TADF 재료는 방사적으로 재결합할 수 있는 엑시톤을 제공합니다. 그러나 이러한 이미 터는 호스트-게스트 개념에서 방출 소멸 3,20,21,23,24를 피하기 위해 매트릭스 호스트에 분산이 필요합니다. 부가적으로, 그 효율은 호스트(유기 매트릭스)가 게스트(TADF) 재료(25)에 어떻게 충당되는지에 의존한다. 또한 전기적으로 균형 잡힌 장치 (손실을 피하기 위해 정공과 전자 사이의 평형)를 달성하기 위해 장치 구조 (즉, 얇은 층, 재료 및 두께)를 이상화해야합니다 26. 전기적으로 균형 잡힌 장치를 위한 최상의 호스트-게스트 시스템을 달성하는 것은 EQE를 높이는 데 필수적입니다. TADF 기반 시스템에서는 쉽게 조정할 수없는 EML의 전기 캐리어 모빌리티의 변화로 인해 간단하지 않습니다.
TADF 이미 터를 사용하면 20 %보다 큰 EQE 값은26,27,28,29를 쉽게 얻을 수 있습니다. 그러나 장치 구조는 일반적으로 3-5 개의 유기 층 (정공 수송 / 차단 및 전자 수송 / 차단 층, 각각 HTL / HBL 및 ETL / EBL)으로 구성됩니다. 또한 비용이 높고 기술적으로 복잡하며 거의 디스플레이 응용 분야에만 사용되는 열 증발 공정을 사용하여 제작됩니다. HOMO(가장 높은 점유 분자 궤도) 및 LUMO(가장 낮은 점유되지 않은 분자 궤도) 수준, 캐리어의 전기적 이동성 및 두께에 따라 각 층은 전기 캐리어를 주입, 수송 및 차단하고 발광층(EML)에서 재결합을 보장할 수 있습니다.
장치 복잡성(예: 단순한 2층 구조)을 줄이면 일반적으로 EQE가 눈에 띄게 감소하며 때로는 5% 미만으로 감소합니다. 이것은 EML의 전자 및 정공 이동성이 다르기 때문에 발생하며 장치가 전기적으로 불균형 해집니다. 따라서, 엑시톤 생성의 고효율 대신에, EML에서의 방출 효율은 낮아진다. 더욱이, 높은 인가 전압에서 엑시톤의 고농도 및 긴 여기 수명(24,30,31)으로 인해 밝기가 증가함에 따라 EQE의 강한 감소와 함께 눈에 띄는 롤오프가 발생합니다. 이러한 문제를 극복하려면 발광층의 전기적 특성을 조작할 수 있는 강력한 기능이 필요합니다. 용액-증착 방법을 사용하는 간단한 OLED 아키텍처의 경우, EML의 전기적 특성은 용액 준비 및 증착 파라미터(32)에 의해 튜닝될 수 있다.
유기 기반 장치에 대한 용액 증착 방법은 이전에 사용되었습니다31. OLED 제조는 열 증발 공정에 비해 단순화 된 구조, 저렴한 비용 및 넓은 면적 생산으로 인해 큰 관심을 끌고 있습니다. 전이 금속 착물 OLEDs에서 높은 성공을 거두면서 주요 목표는 방출 면적을 늘리지 만 장치 구조를 가능한 한 단순하게 유지하는 것입니다33. 롤투롤(R2R)34,35,36, 잉크젯 프린팅(37,38,39) 및 슬롯-다이(40)와 같은 방법은 OLED의 다층 제조에 성공적으로 적용되었으며, 이는 가능한 산업적 접근이다.
유기층에 대한 용액 증착 방법이 장치 아키텍처 단순화를 위한 좋은 선택임에도 불구하고, 원하는 모든 물질이 쉽게 증착될 수 있는 것은 아니다. 두 가지 유형의 재료가 사용됩니다 : 작은 분자와 폴리머. 용액 증착 방법에서, 작은 분자는 불량한 박막 균일 성, 결정화 및 안정성과 같은 몇 가지 단점을 갖는다. 따라서, 폴리머는 표면 거칠기가 낮고 크고 유연한 기판 상에 균일 한 박막을 형성 할 수 있기 때문에 주로 사용된다. 또한, 재료는 적절한 용매 (주로 클로로포름, 클로로 벤젠, 디클로로 벤젠 등과 같은 유기 용매), 물 또는 알코올 유도체에 대한 용해도가 좋아야합니다.
용해도의 문제 외에도, 한 층에 사용 된 용매가 선행 층에 대한 용매로서 작용해서는 안된다는 것을 보장 할 필요가있다. 이것은 습식 공정에 의해 증착 된 다층 구조를 허용합니다. 그러나 제한사항이 있습니다 41. 가장 일반적인 장치 구조는 일부 용액 증착 층(즉, 발광 층)과 하나의 열 증발층(ETL)을 사용합니다. 또한, 박막 균질성 및 형태는 증착 방법 및 파라미터에 크게 의존한다. 이 층을 통한 전하 수송은 이러한 형태에 의해 완전히 좌우됩니다. 그럼에도 불구하고 원하는 최종 장치와 제조 공정의 호환성 간의 절충안을 신중하게 설정해야 합니다. 증착 매개 변수를 조정하는 것은 시간이 많이 걸리는 작업 임에도 불구하고 성공의 열쇠입니다. 예를 들어, 스핀 코팅은 간단한 기술이 아닙니다. 간단해 보이지만 회전하는 기판 위에 있는 용액에서 박막을 형성하는 몇 가지 측면이 주의해야 합니다.
필름 두께 최적화, 회전 속도 및 시간 조작 (두께는 두 매개 변수의 기하 급수적 인 감쇠) 외에도 실험자의 동작도 조정하여 좋은 결과를 얻어야합니다. 올바른 파라미터는 또한 용액 점도, 증착 면적 및 기판 상의 용액의 습윤성/접촉각에 따라 달라집니다. 고유한 매개 변수 집합은 없습니다. 용액/기질에 대한 특정 조정이 있는 기본 가정만이 원하는 결과를 산출합니다. 또한, 층 분자 형태 및 형태에 의존하는 전기적 특성은 여기에 설명된 프로토콜에 따라 원하는 결과를 위해 최적화될 수 있습니다. 완료되면 프로세스가 간단하고 실현 가능합니다.
그럼에도 불구하고 장치 구조 복잡성을 줄이면 최대 EQE가 감소합니다. 그러나 효율성 대 밝기 측면에서 타협을 달성할 수 있습니다. 이러한 타협은 실용적인 적용을 가능하게하기 때문에 간단하고 넓은 면적과 호환되며 저렴한 프로세스의 잉여가 현실이 될 수 있습니다. 이 문서에서는 이러한 요구 사항과 필요한 문제를 처리하기 위한 레시피를 개발하는 방법에 대해 설명합니다.
이 프로토콜은 녹색 TADF 이미 터 2PXZ-OXD [2,5- 비스 (4- (10H- 페녹 사진 -10- 일) 페닐) -1,3,4- 옥사 디아 졸] 42 에 초점을 맞추고 있으며, 이는 EML에 해당하는 PVK [폴리 (N- 비닐 카바 졸)] 및 OXD-7 [1,3- 비스 [2- (4- 3- 차 부틸 페닐) -1,3,4- 옥사 디아 조 -5- 일] 벤젠]으로 구성된 호스트 매트릭스의 게스트입니다. TmPyPb [1,3,5- 트리 (m- 피리딘 -3- 일 페닐) 벤젠]의 전자 수송층 (ETL)이 사용된다. 양극과 음극의 작업 기능이 모두 최적화됩니다. 양극은 높은 전도성 중합체 pedot를 가진 ITO (인듐 주석 산화물)로 구성됩니다 : PSS [폴리 (3,4- 에틸렌 디옥시 티오 펜) - 폴리 (스티렌 술포 네이트)], 음극은 알루미늄과 LiF (리튬 플루오 라이드)의 이중층으로 구성됩니다.
마지막으로, pedot : PSS 및 EML (PVK : OXD-7 : 2PXZ-OXD)은 스핀 코팅에 의해 증착되는 반면, TmPyPb, LiF 및 Al은 열적으로 증발됩니다. pedot:PSS의 전도성 금속과 유사한 특성을 고려할 때 이 장치는 가능한 가장 간단한 구조의 전형적인 "2개의 유기층"입니다. EML에서, TADF 게스트 (10% 중량)는 PVK0.6+OXD-70.4로 구성된 호스트 (90% 중량)에 분산된다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:999px;" width="998">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">2PXZ-OXD (2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole)</td>
			<td style="width:207px;">Lumtec ltd</td>
			<td style="width:119px;">1447998-13-1</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">Aluminum (99.999%)</td>
			<td style="width:207px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:119px;">7429-90-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">Acetone (99.9%)</td>
			<td style="width:207px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">67-64-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">Hellmanex</td>
			<td style="width:207px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;">7778-53-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">Isopropyl alcohol</td>
			<td style="width:207px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">67-63-0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">ITO patterned substrates</td>
			<td style="width:207px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;">65997-17-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">Lithium Fluoride (99.99%)</td>
			<td style="width:207px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">7789-24-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">OXD-7 (1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene)</td>
			<td style="width:207px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;">138372-67-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PEDOT: PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)</td>
			<td style="width:207px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;">155090-83-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">PVK (Polyvinlycarbazole) (average Mn 25,000-50,000)</td>
			<td style="width:207px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">25067-59-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:507px;">TmPyPb (1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzene)</td>
			<td style="width:207px;">Ossila</td>
			<td style="width:119px;">138372-67-5</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of efficient oleds from solution deposition

열 활성화 지연 형광 (TADF) 개념을 기반으로하는 고효율 유기 이미 터의 사용은 100 % 내부 양자 효율로 인해 흥미 롭습니다. 여기에서는 간단한 장치 구조의 TADF 이미 터를 기반으로 효율적인 유기 발광 다이오드 (OLED)를 제조하기위한 용액 증착 방법이 제시됩니다. 이 빠르고 저렴하며 효율적인 프로세스는 호스트-게스트 개념을 따르는 모든 OLED 발광 레이어에 사용할 수 있습니다. 기본 단계는 추가 복제에 필요한 정보와 함께 설명됩니다. 목표는 현재 연구 및 개발 중인 주요 유기 방출기에 쉽게 적용할 수 있는 일반 프로토콜을 구축하는 것입니다.

그림 5 는 제작된 장치의 주요 결과를 보여줍니다. 켜기 전압은 매우 낮았으며 (~ 3V), 이는 2 개의 유기층 장치에서 흥미로운 결과입니다. 최대 밝기는 적분구를 사용하지 않고 약 8,000cd/m2 였습니다. ηc, ηp 및 EQE의 최대값은 각각 약 16cd/A, 10lm/W 및 8%였습니다. 결과가 이 TADF 이미터에 대한 최고의 성능 수치는 아니지만 솔루션 프로세스 방법을 통해 이 ?...

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Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition

여기에 제시된 것은 낮은 롤오프를 가진 효율적이고 간단한 용액 증착 유기 발광 다이오드의 제조를위한 프로토콜입니다.

용액 증착을 통한 효율적인 OLED 개발

The use of highly efficient organic emitters based on the thermally activated delayed fluorescence (TADF) concept is interesting due to their 100% ...

효율적인 방식으로 초점을 맞추고, 인쇄 전자 제품의 새로운 중요한 분야, 특히 OS에 대한 가능성을 열어줍니다. 이 프로세스는 볼트 기계 개념에 최적화되어 있습니다. 단순한 장치 아키텍처와 유용한 효율성 사이의 좋은 절충안에있는 OS 윤활의 단순성은 현재 거대한 기술적 문제입니다. 호스트 파악 메트릭, 구성, 농도, 용매 등의 올바른 선택 이외의 주요 문제는 스핀 코딩 위치, 용매 준비 및 전하의 전기적 균형의 세 가지 측면으로 집중할 수 있습니다.용액 지속성 공정을 통한 윤활은 장치 섬유가 풍부하기 때문에 간단해 보입니다. 제작 중 몇 가지 중요한 측면은 35여야 합니다. 먼저 호스트 매트릭스를 준비합니다.작은 바이알에 15 밀리그램의 OXD7을 첨가하십시오. 그런 다음 5 밀리그램의 PVK를 추가하십시오. 그런 다음 10 밀리그램 2PXZOXDTADF 이미 터를 다른 작은 바이알에 첨가하십시오.호스트 매트릭스가있는 바이알에 2 밀리리터의 클로로 벤젠을 추가하고 TADF 물질이있는 바이알에 1 밀리리터를 추가합니다. 두 바이알에서 클로로 벤젠의 최종 농도는 밀리리터 당 10 밀리그램이어야합니다. 재료가 완전히 용해 될 때까지 작은 세척 된 마그네틱 교반 막대로 용액을 최소 3 시간 동안 저어줍니다.바이알이 각 캡으로 안전하게 덮여 있고 용매의 증발을 방지하기 위해 유기 화학 물질 안전 필름으로 단단히 밀봉되었는지 확인하십시오. 섭씨 95도의 물에 1%hellmanex 용액을 포함하는 초음파 욕조에서 미리 패턴화된 인도 주석 산화물 또는 ITO 기판을 순차적으로 청소한 다음 실온에서 아세톤, 다음 욕조 당 15분 동안 실온에서 프로판올로 청소합니다. 모서리에서만 핀셋으로 기판을 다루십시오.질소 플럭스로 기판을 사용하여 세척 용매 잔류물을 제거하십시오. 그런 다음 ITO 필름이 위쪽을 향하도록 기판을 UV 오존 처리에 5분 동안 노출시킵니다. pedot:PSS를 0.45마이크로미터 폴리비닐리덴 플루오라이드 필터로 필터링하고 마이크로 피펫에 100마이크로리터의 용액을 채웁니다.스핀 코더 트럭에 기판을 조심스럽게 놓고 진공 시스템을 활성화하여 고정합니다. ITO를 위로 향하게 회전하고 기판 영역을 최대한 중앙에 놓습니다. 스핀 코팅의 매개 변수를 30 초 동안 3, 000 RPM으로 설정하십시오.낮은 회전에서 초기 간격을 2-3초로 설정합니다. 마이크로 피펫을 기판에 수직으로 유지하면서 PEDOT:PSS를 기판 중앙에 떨어뜨리고 스핀 코더를 시작합니다. 스핀 코딩이 완료되면 진공을 끄고 핀셋으로 기판을 제거하십시오.물에 적신 작은 면봉을 사용하여 중앙 픽셀 영역을 그대로 유지하면서 기판의 음극과 모서리 영역 주위에 과도하게 증착된 필름을 제거합니다. 오븐이나 섭씨 120도의 핫 플레이트에서 기판을 15분 동안 배양하여 pedot:PSS 용매를 제거한 다음 글러브 박스로 옮기고 실온에서 식히십시오. 몰입 형 층을위한 용액을 준비하려면 1.8 밀리리터의 호스트 용액과 0.2 밀리리터의 TADF 용액을 깨끗한 바이알에 결합하십시오.0.1 마이크로 미터 PTFE 필터로 용액을 여과 한 다음 실온에서 15 분 동안 저어 둡니다. 앞에서 설명한 절차에 따라 스핀 코더가 60 초 동안 2, 000 RPM으로 회전하는 두 번째 용액을 증착하십시오. 클로로벤젠에 적신 면봉을 사용하여 두 번째 필름의 초과분을 제거합니다.과도한 클로로 벤젠을 완전히 제거하기 위해 섭씨 70 도의 글로브 박스 내부의 핫 플레이트에 기판을 섭씨 70 분 동안 그대로 두십시오. 그런 다음 실온에서 식히십시오. 원하는 증발 마스크로 기판을 시료 홀더에 삽입하여 필름이 아래를 향하도록 합니다.필요한 도가니를 포함하고 적절한 재료로 채 웁니다. 샘플이 있는 기판 홀더를 증발기 샘플 홀더에 놓습니다. 챔버를 닫고 펌핑하여 특정 증발기 시스템에 대한 제조업체의 지침을 따르십시오.TNPYPB의 40 나노 미터 필름을 증발시킨 다음 불화 리튬의 2 나노 미터 필름을 증발시킨 다음 마지막으로 100 나노 미터의 알루미늄 필름을 증발시킵니다. 제작된 LED의 특성이 여기에 나와 있습니다. 켜기 전압은 약 3V로 매우 낮았으며 이는 2 유기층 장치에서 흥미로운 결과입니다.최대 밝기는 적분구를 사용하지 않고 평방 미터당 약 8, 000 칸델라였습니다. 전류 효율, 전력 효율 및 외부 양자 효율의 최대값은 각각 암페어당 약 16칸델라, 와트당 10루멘 및 8%였습니다. 장치 구조의 단순성과 신뢰성 효율 사이의 좋은 트레이드 오프는 모든 결함없이 가능한 최상의 정보를 주장해야한다. 특히 중요한 것은 금속 개념이 유기 및 무기 재료와 같은 다양한 종류의 매개 변수로 확장 될 수 있다는 것입니다.우리는 특별한 특이성을 가지고 있지만 주요 아이디어는

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Research

JoVE Journal

Engineering

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

의 제작 펄스 레이저 증착에 의해 투명 실시 산화물 나노 설계

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

연구

공학

Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe (casing), and protects metal components from corrosive fluids. These are essential for uncompromised wellbore integrity. Cements can undergo multiple forms of failure, such as debonding at the cement/rock and cement/metal interfaces, fracturing, and defects within the cement matrix. Failures and defects within the cement will ultimately lead to fluid migration, resulting in inter-zonal fluid migration and premature well abandonment. Currently, there are over 1.8 million operating wells worldwide and over one third of these wells have leak related problems defined as Sustained Casing Pressure (SCP)1. 
The focus of this research was to develop an experimental setup at bench-scale to explore the effect of mechanical manipulation of wellbore casing-cement composite samples as a potential technology for the remediation of gas leaks. 
The experimental methodology utilized in this study enabled formation of an impermeable seal at the pipe/cement interface in a simulated wellbore system. Successful nitrogen gas flow-through measurements demonstrated that an existing microannulus was sealed at laboratory experimental conditions and fluid flow prevented by mechanical manipulation of the metal/cement composite sample. Furthermore, this methodology can be applied not only for the remediation of leaky wellbores, but also in plugging and abandonment procedures as well as wellbore completions technology, and potentially preventing negative impacts of wellbores on subsurface and surface environments.

This article reports on a laboratory scale investigation of an existing field procedure and its adaptation for sealing of leaky wellbores. It consists of mechanical expansion of metal pipe, which results in an improved metal/cement bond, ultimate sealing of hydraulic pathways and prevention of gas leaks caused by the presence of a microannular channel.

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

열 증발 및 원자 층 증착에 의해 기록 효율 SNS 태양 전지 만들기

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Formation of Thick Dense Yttrium Iron Garnet Films Using Aerosol Deposition

Aerosol deposition (AD) is a thick-film deposition process that can produce layers up to several hundred micrometers thick with densities greater than 95% of the bulk. The primary advantage of AD is that the deposition takes place entirely at ambient temperature; thereby enabling film growth in material systems with disparate melting temperatures. This report describes in detail the processing steps for preparing the powder and for performing AD using the custom-built system. Representative characterization results are presented from scanning electron microscopy, profilometry, and ferromagnetic resonance for films grown in this system. As a representative overview of the capabilities of the system, focus is given to a sample produced following the described protocol and system setup. Results indicate that this system can successfully deposit 11 &#181;m thick yttrium iron garnet films that are &#160;&#62; 90% of the bulk density during a single 5 min deposition run. A discussion of methods to afford better control of the aerosol and particle selection for improved thickness and roughness variations in the film is provided.

This report describes the use of a custom-built system to perform aerosol deposition of thick films of yttrium iron garnet onto sapphire substrates at RT. The deposited films are characterized using scanning electron microscopy, profilometry, and ferromagnetic resonance to give a representative overview of the capabilities of the technique.

에어로졸 증착을 사용하여 두꺼운 고밀도 이트륨 철 가넷 필름의 형성

Aerosol deposition (AD) is a thick-film deposition process that can produce layers up to several hundred micrometers thick with densities greater than 95% ...

Research and Development of High-performance Explosives

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of Photonic Doppler Velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.

고성능 폭발물의 연구 개발

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to neutral gold Au(0) by reducing agents, such as sodium citrate or sodium borohydride. The extension of this method to decorate iron oxide or similar nanoparticles with gold nanoparticles to create multifunctional hybrid Fe2O3-Au nanoparticles is straightforward. This approach yields fairly good control over Au nanoparticle dimensions and loading onto Fe2O3. Additionally, the Au metal size, shape, and loading can easily be tuned by changing experimental parameters (e.g., reactant concentrations, reducing agents, surfactants, etc.). An advantage of this procedure is that the reaction can be done in air or water, and, in principle, is amenable to scaling up. The use of such optically tunable Fe2O3-Au nanoparticles for hyperthermia studies is an attractive option as it capitalizes on plasmonic heating of gold nanoparticles tuned to absorb light strongly in the VIS-NIR region. In addition to its plasmonic effects, nanoscale Au provides a unique surface for interesting chemistries and catalysis. The Fe2O3 material provides additional functionality due to its magnetic property. For example, an external magnetic field could be used to collect and recycle the hybrid Fe2O3-Au nanoparticles after a catalytic experiment, or alternatively, the magnetic Fe2O3 can be used for hyperthermia studies through magnetic heat induction. The photothermal experiment described in this report measures bulk temperature change and nanoparticle solution mass loss as functions of time using infrared thermocouples and a balance, respectively. The ease of sample preparation and the use of readily available equipment are distinct advantages of this technique. A caveat is that these photothermal measurements assess the bulk solution temperature and not the surface of the nanoparticle where the heat is transduced and the temperature is likely to be higher.

Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating

We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.

다기능 하이브리드 철<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; 효율적인 플라즈몬 난방을위한 -Au 나노 입자

One of the most widely used methods for manufacturing colloidal gold nanospherical particles involves the reduction of chloroauric acid (HAuCl4) to ...

Fabrication of Fully Solution Processed Inorganic Nanocrystal Photovoltaic Devices

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal inks. For the photoactive absorber layer, colloidal CdTe and CdSe nanocrystals (3-5 nm) are synthesized using an inert hot injection technique and cleaned with precipitations to remove excess starting reagents. Similarly, gold nanocrystals (3-5 nm) are synthesized under ambient conditions and dissolved in organic solvents. In addition, precursor solutions for transparent conductive indium tin oxide (ITO) films are prepared from solutions of indium and tin salts paired with a reactive oxidizer. Layer-by-layer, these solutions are deposited onto a glass substrate following annealing (200-400 &#176;C) to build the nanocrystal solar cell (glass/ITO/CdSe/CdTe/Au). Pre-annealing ligand exchange is required for CdSe and CdTe nanocrystals where films are dipped in NH4Cl:methanol to replace long-chain native ligands with small inorganic Cl- anions. NH4Cl(s) was found to act as a catalyst for the sintering reaction (as a non-toxic alternative to the conventional CdCl2(s) treatment) leading to grain growth (136&#177;39 nm) during heating. The thickness and roughness of the prepared films are characterized with SEM and optical profilometry. FTIR is used to determine the degree of ligand exchange prior to sintering, and XRD is used to verify the crystallinity and phase of each material. UV/Vis spectra show high visible light transmission through the ITO layer and a red shift in the absorbance of the cadmium chalcogenide nanocrystals after thermal annealing. Current-voltage curves of completed devices are measured under simulated one sun illumination. Small differences in deposition techniques and reagents employed during ligand exchange have been shown to have a profound influence on the device properties. Here, we examine the effects of chemical (sintering and ligand exchange agents) and physical treatments (solution concentration, spray-pressure, annealing time and annealing temperature) on photovoltaic device performance.

This protocol describes the synthesis and solution deposition of inorganic nanocrystals layer by layer to produce thin film electronics on non-conductive surfaces. Solvent-stabilized inks can produce complete photovoltaic devices on glass substrates via spin and spray coating following post-deposition ligand exchange and sintering.

완전 해결 가공 된 무기 나노 결정 태양 광 발전 장치의 제작

We demonstrate a method for the preparation of fully solution processed inorganic solar cells from a spin and spray coating deposition of nanocrystal ...

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two chalcogenide compositions are demonstrated: Ge23Sb7S70 and As40S60, which have both been studied extensively for planar mid-infrared (mid-IR) microphotonic devices. In this approach, uniform thickness films are fabricated through the use of computer numerical controlled (CNC) motion. Chalcogenide glass (ChG) is written over the substrate by a single nozzle along a serpentine path. Films were subjected to a series of heat treatments between 100 &#176;C and 200 &#176;C under vacuum to drive off residual solvent and densify the films. Based on transmission Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and surface roughness measurements, both compositions were found to be suitable for the fabrication of planar devices operating in the mid-IR region. Residual solvent removal was found to be much quicker for the As40S60 film as compared to Ge23Sb7S70. Based on the advantages of electrospray, direct printing of a gradient refractive index (GRIN) mid-IR transparent coating is envisioned, given the difference in refractive index of the two compositions in this study.

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

A method of uniform thickness solution-derived chalcogenide glass film deposition is demonstrated using computer numerical controlled motion of a single-nozzle electrospray.

균일 한 두께의 Ge 전기 분무 증착<sub&gt; (23)</sub&gt;의 Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; (70)</sub&gt;와 같이<sub&gt; (40)</sub&gt; S<sub&gt; (60)</sub&gt; 칼 코게 나이드 유리 필름

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

CH의 일가 양이온 도핑<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; 효율적인 페 로브 스카이 트 태양 전지에 대한

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

기울기 각도 증 착을 사용 하 여 미디어를 흡수 하는 높은 가진 매우 얇은 필름의 제조

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...