Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrolumineszenzeinrichtung.

Die vorliegende Erfindung schlägt insbesondere die Herstellung einer Elektrolumineszenzeinrichtung neuartiger Konzeption vor, die sich besonders für die Anwendung auf das Gebiet der Photonik eignet und sich wettbewerblich auf einer Ebene mit traditionellen Elektrolumineszenzeinrichtungen wie etwa LED und O-LED sowohl hinsichtlich Kosten als auch erzielbarer Leistungen befindet.

Aus US 5,796,120 ist eine Tunneldünnfilm-Elektrolumineszenzeinrichtung bekannt.

Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Elektrolumineszenzeinrichtung mit den Charakteristiken der beigefügten Ansprüche erzielt, die einen integralen Teil der vorliegenden Beschreibung darstellen. Weitere Aufgaben, Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die lediglich als ein nicht-beschränkendes Beispiel vorgesehen sind. Es zeigen:

1 eine graphische Darstellung der Potentialbarriere zwischen einem generischen Metall und dem Vakuum unter verschiedenen Bedingungen;

2 eine schematische Darstellung einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektrolumineszenzeinrichtung;

3 eine schematische Darstellung einer gemäß einer ersten möglichen Variante der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektrolumineszenzeinrichtung;

4 eine schematische Darstellung einer gemäß einer zweiten möglichen Variante der vorliegenden Erfindung hergestellten Elektrolumineszenzeinrichtung.

Die Elektrolumineszenzeinrichtung gemäß der Erfindung basiert auf dem Tunnelungseffekt in einer dreidimensionalen perkolierten Schicht.

Eine dreidimensionale perkolierte Schicht ist eine metallische mesoporöse Struktur, die aus metallischen Nanoteilchen besteht, die miteinander verbunden sind, oder dielektrischen metallischen Zwischenverbindungen, die derart verbunden sind, daß eine elektrische Leitung garantiert wird; die Zwischenverbindung oder Verbindung kann durch Tunnelung hergestellt werden, wie unten erläutert wird. Gemäß der Erfindung nehmen die Hohlräume von mikrometrischen oder nanometrischen Abmessungen, die in der mesoporösen Struktur gefunden werden, lumineszente Nanoteilchen oder Makromoleküle auf; wie zu sehen ist, emittieren diese Licht, wenn sie von den Elektronen aktiviert werden, die in Folge von Tunnelung durch die perkolierte Schicht hindurchtreten.

Die üblicherweise akzeptierte Definition für mesoporöse Materialien umfaßt anorganische Materialien mit Poren mit Abmessungen unter 50 nm. Poröse Materialien mit Poren von nanometrischen Abmessungen sind bei der Herstellung die schwierigsten. Insbesondere werden für geordnete mesoporöse Materialien im allgemeinen "Supramolecular Templating"-Techniken verwendet, die asymmetrische organische Moleküle als Matrizen verwenden, um entfernt zu werden, nachdem die nanoporöse Struktur hergestellt worden ist. Metallische mesoporöse Materialien können statt dessen unter Verwendung von Aufdampfungstechniken wie etwa thermische Aufdampfung oder Elektronenstrahlaufdampfung aufgewachsen werden.

Hinsichtlich des Tunnelungseffekts muß berücksichtigt werden, daß die Metall-Isolator-Grenzfläche eine typische Situation innerhalb eines metallischen Systems auf Perkolationsebene ist, die bei jeder Diskontinuität des Systems auftritt.

Es gibt verschiedene Elektronentransportmechanismen durch die Metall-Isolator-Grenzfläche wie etwa ohmsche Leitung, Ionenleitung, thermische Emission und Feldeffektemission. Bei einem gegebenen Material herrscht jeder der oben genannten Mechanismen in einem bestimmten Temperatur- und Spannungsbereich (elektrisches Feld) vor und weist eine charakteristische Abhängigkeit von dem Strom, der Spannung und der Temperatur auf. Diese verschiedenen Prozesse sind nicht notwendigerweise unabhängig voneinander.

Feldemission, auch als Fowler-Nordheim-Elektronentunnelung bezeichnet, besteht aus dem Transportieren von Elektronen durch eine Metall-Isolator-Grenzfläche aufgrund des Durchgangs der Elektronen von dem Fermi-Niveau des Metalls zu dem Leitungsband des Isolatormittels durch einen Tunnelungseffekt.

Dieser Tunneleffekt tritt auf, wenn starke elektrische Felder vorliegen (somit der Ausdruck "Emission für Feldeffekt"), die in der Lage sind, die Energiebänder des Isolatormittels zu beugen, um eine schmale dreieckige Potentialbarriere zwischen dem Metall und dem Isolator auszubilden.

1 liefert für diese Aufgabe eine schematische Darstellung der Potentialbarriere zwischen einem generischen Metall und dem Vakuum in drei verschiedenen möglichen Situationen. Allgemein wird angenommen, daß die Potentialenergie eines Elektrons von Null innerhalb des Metalls zu dem Wert E_F + &PHgr; unmittelbar außerhalb der Oberfläche des Metalls verläuft. In 1 ist dieser Fall durch die Kurve (a) dargestellt.

Die Potentialbarriere, die ein sich von dem Metall wegbewegendes Elektron antrifft, weist statt dessen einen allmählicheren Trend auf, da es sinnvoll ist zu denken, daß das Potential anfänglich linear mit dem Abstand von der Oberfläche des Metalls zunimmt; wenn ein Elektron den Abstand einiger weniger Å (1 Å ≙ 0,1 nm) von dieser Oberfläche erreicht, sollte es den Effekt einer Anziehungskraft spüren, die gleichwertig der Kraft aufgrund einer Ladung e ist, in deren Gegenwart die potentielle Energie des Elektrons mit einer Funktion von dem folgenden Typ dargestellt werden kann:

Wenn schließlich ein elektrisches Feld in Richtung X in dem Vakuumgebiet das erhitzte Metall umgebend angelegt wird, wird die potentielle Energie des Elektrons vom Typ:

Wie in 1 ersichtlich, erzeugt das Vorliegen eines externen elektrischen Felds eine geringfügige Verringerung bei der effektiven Austrittsarbeit. Die Abnahme des Werts der typischen Austrittsarbeit des Metalls im Vakuum ist klein, wenn das externe elektrische Feld nicht sehr intensiv ist (bis zu dem Wert einiger Tausend Volt/Meter): in diesem Fall findet man das größte Potential bei vielen Å (1 Å ≙ 0,1 nm) Abstand von der äußeren Oberfläche des Metalls. Selbst eine geringe Abnahme beim Wert von &PHgr; ermöglicht das Phänomen der thermischen Emission und daß viele Elektronen ohne ausreichende Energie bei Abwesenheit des externen elektrischen Felds die Potentialbarriere überwinden.

Wenn das elektrische Feld sehr intensiv wird, etwa 10⁹ Volt/Meter, zusätzlich zu der Abnahme der typischen Austrittsarbeit des Metalls, tritt auch das Phänomen der Feldeffektemission oder der Elektrotunnelung auf.

Die Potentialbarriere, die an der Metall-Isolator-Oberfläche erzeugt wird, wird so dünn, daß die Elektronen des Metalls durch Quantentunneln dort hindurchtreten können. Bei einem kritischen Wert des elektrischen Felds wird die Potentialbarriere dünn genug und die Elektronen, die sich auf dem Fermi-Niveau des Metalls befinden, erhalten eine viel niedrigere Wahrscheinlichkeit des Hindurchtretens. Für höhere Werte des elektrischen Felds gestattet die noch geringere Dicke der Potentialbarriere, daß Elektronen mit noch geringeren Energien durch den Tunneleffekt hindurchtreten.

Die Stromdichte der Emission für den Feldeffekt hängt streng von der Intensität des elektrischen Felds ab, während sie von der Temperatur im wesentlichen unabhängig ist:

Es ist wichtig anzumerken, daß im Fall einer Emission durch Elektronentunnelung die Elektronen keine thermische Aktivierung erfordern (und dies erklärt die Tatsache, daß j nicht von der Temperatur abhängt), aber ein intensives elektrisches Feld, das die Dicke der Potentialbarriere reduziert, das Leitungs- und Valenzband des Isolatormittels beugen. Dies erklärt die strenge Abhängigkeit von j von der Intensität des elektrischen Felds: Tatsächlich übersteigen in diesem Fall die Elektronen nicht die Potentialbarriere, sondern tunneln sich durch sie hindurch.

Es sollte nur eine geringfügige Tunnelungswahrscheinlichkeit für Elektronen auf dem Fermi-Niveau vorliegen, sofern nicht die Barriere dünner ist als 1 nm (10 Å). Deshalb ist es sinnvoll zu erwarten, daß der kritische Wert des elektrischen Felds, über dem das Phänomen der Emission durch Feldeffekt auftritt, etwa 3·10⁹ Volt/Meter beträgt. Diese Art von Emission tritt jedoch auch mit makroskopischen elektrischen Feldern auf, die bis zum 30fachen weniger intensiv sind. Es ist wahrscheinlich, daß die lokale Rauheit in der Oberfläche des Metalls die Ursache für das Vorliegen extrem intensiver elektrischer Felder ist, wenngleich nur auf einer lokalen Skala, und daß der größte Teil der Emission durch Feldeffekt aus diesen Zonen kommt.

Innerhalb eines perkolierten metallischen Systems und spezifisch an jeder Metall-Vakuum-Grenzfläche gibt es lokale Zunahmen bei dem elektrischen Feld, die es ermöglichen, die Intensitätswerte des elektrischen Felds zu erreichen, die erforderlich sind, damit eine Elektronentunnelung stattfindet. Es ist wichtig zu betonen, daß die lokale Zunahme des elektrischen Feldes nur so größer ist, je kleiner die Abmessungen sind, die am Feldemissionsphänomen beteiligt sind. Bei jeder Diskontinuität des perkolierten metallischen Systems, wo eine lokale Zunahme beim elektrischen Feld und Elektronenemission durch Feldeffekt stattfindet sollte eine lokale Zunahme bei der Stromdichte auftreten. Tatsächlich tragen genau wie jene von der thermischen Emission abgeleiteten die durch Feldeffekt emittierten Elektronen zu dem gesamten elektrischen Strom bei. Deswegen sollte das perkolierte metallische System eine Spannungs-Strom-Kennlinie mit nicht-ohmschen Trend aufweisen; die Zunahme beim Strom mit der angelegten Spannung sollte dank den Beiträgen der thermischen Emission und der Feldeffektemission schneller sein, als dies in einem ohmschen Leiter mit linearen Kennlinien ist.

In 2 zeigt die Zahl 1 insgesamt eine gemäß den Vorschriften der vorliegenden Erfindung hergestellte Elektrolumineszenzeinrichtung an, deren Betrieb auf den oben dargelegten Konzepten basiert.

Die Einrichtung 1 weist eine "Strom in der Ebene"-Architektur auf und besteht aus mehreren Teilen, nämlich:

• – einem Substrat, mit 2 bezeichnet;
• – zwei seitlichen Elektroden, mit 3 bezeichnet;
• – einer Schicht aus metallischem mesoporösem Material auf Perkolationsebene, mit 4 bezeichnet;
• – lumineszente nanometrische Einschlüsse 5 in der Schicht aus perkoliertem Material 4;
• – eine transparente Schutzschicht, mit 6 bezeichnet.

Das Substrat 2 kann transparent und in üblichem Glas produziert sein, beispielsweise mit einem Ultraschallreinigungsprozeß vorbereitet sein, oder kann opak und in Kunststoffmaterial produziert sein. Gemäß der Erfindung sind nicht in jedem Fall transparente Substrate erforderlich, die mit speziellen teuren Beschichtungen bedeckt sind, wie etwa mit ITO bedecktes Glas, das in der O-LED-, der P-LED- und der Flüssigkristalleinrichtungstechnologie verwendet wird.

Die seitlichen Elektroden 3 sind auf dem Glassubstrat 2 auf dergleichen Ebene positioniert und bestehen aus einer durch Aufdampfung abgeschiedenen kontinuierlichen metallischen Schicht, wobei das für den Zweck verwendete metallische Material Kupfer, Silber, Gold, Aluminium oder etwas ähnliches sein kann.

Der elektrische Kontakt zwischen dem Stromgenerator, schematisch mit "niedrige V_DC" angezeigt, der Elektrolumineszenzeinrichtung 1 und der aktiven Schicht des Bauelements, bestehend aus der Schicht 4 aus metallischem mesoporösem Material auf Perkolationsebene, wird durch die Elektroden 3 hergestellt.

An den Enden der Schicht 4 erzeugen die Elektroden 3 eine Potentialdifferenz, die eine Tunnelung elektrischer Ladung durch diese Schicht induziert. Wenn die angelegte Spannung hoch genug ist, um sehr intensive lokale elektrische Felder zu erzeugen (E ≈ 10⁷ V/cm), kommt es zu Elektronenleitung durch Tunnelung wie oben beschrieben innerhalb der metallischen Schicht 4 bei Perkolation.

Der Perkolationspunkt eines diskontinuierlichen metallischen Systems ist definiert als der Punkt, bei dem sich der Film dahingehend ändert, daß er als ein Isolator wirkt, insbesondere in der Situation, in der der Film eine größere Anzahl Diskontinuitäten in Relation zu den metallischen Inseln aufweist, zum Wirken als ein Leiter, in der Regel der Situation, in der die metallischen Inseln über die Diskontinuitäten in dem Film vorherrschen, direkte "Verbindungen" zwischen seinen beiden Enden ausgebildet werden, in denen eine Leitung elektrischen Stroms stattfinden kann.

Bei einem diskontinuierlichen metallischen Film auf Perkolationsebene gibt es verschiedene Elektronentransportmechanismen. Wie erwähnt treten zusätzlich zur normalen ohmschen Leitung des Stroms andere Transportmechanismen auf, die die Grenzflächenzonen zwischen dem Metall und den Diskontinuitäten involvieren, insbesondere thermische Emission und Elektronentunnelung.

Thermische Emission tritt nur in diskontinuierlichen Filmen für ausreichend hohe Temperaturwerte auf, während Elektronentunnelung vorherrschend in Filmen auftritt, die durch eine große Anzahl von Diskontinuitäten extrem geringer Größe gekennzeichnet sind, wo ausreichend intensive lokale elektrische Felder entstehen.

Beweis für das Elektronentunnelungsphänomen erhält man durch den nichtlinearen Trend der von perkolierten metallischen Systemen gezeigten Spannungs-Strom-Kennlinie. Diese zeigen eine Stromentladung, die bei einem kritischen Wert der angelegten Spannung auftritt. Die Stromentladung beweist, daß die Leitfähigkeit des Systems bei dem kritischen Spannungswert plötzlich ansteigt: Dies bedeutet, daß durch Anlegen einer geeigneten Spannung bei den Diskontinuitäten, wo ausreichend intensive elektrische Felder erzeugt worden sind, ein Elektronentunnelungseffekt erhalten wird. Die von den metallischen Inseln in Richtung der Diskontinuitätszonen extrahierten Elektronen tragen zu dem Gesamtstrom bei, der das System durchläuft, weshalb sie für die Stromentladung verantwortlich werden, die auf makroskopischer Ebene beobachtet werden kann.

Es ist genau dieses Phänomen, das das perkolierte metallische System für die Anwendungen in einer Elektrolumineszenzeinrichtung sehr interessant macht. Tatsächlich wird Elektronenemission durch die metallischen Inseln durch den Elektronentunnelungseffekt verwendet, um die lumineszierenden Teilchen 5, beispielsweise in Form von Halbleiternanokristallen, metallischen Nanoteilchen oder Molekülen mit phosphoreszierenden Eigenschaften, zu aktivieren, die in den Hohlräumen der perkolierten metallischen Schicht 4 enthalten sind.

Die von den metallischen Inseln durch Elektronentunnelung extrahierten Elektronen weisen ausreichend Energie zum Aktivieren einer Lumineszenz in den lumineszierenden Nanoteilchen auf, die in der Matrix eingeschlossen sind, die aus der perkolierten metallischen Struktur besteht. Die Lumineszenzzentren mit nanometrischen Abmessungen können von unterschiedlichen Arten sein. Insbesondere können sie erzeugt werden durch:

• – organische Leuchtstoffe, das heißt lumineszierende organische Moleküle, die zusammen mit der metallischen Struktur aufgedampft werden, unter denen sich befinden: Coumarin-7, Aluminium-8-hydroxychinolin, Spiro-Verbindungen, elektrolumineszenten Polymeren;
• – anorganische Halbleiter (Si, CdSe, CdTe, "Kern-Hülle"-CdSe/ZnS- und CdSe/CdS-Strukturen), hergestellt mit Selbstorganisationstechniken (die eine Steuerung des Durchmessers der Teilchen gestatten), elektrochemische Abscheidung, Langmuir-Blodgett-Techniken; Nanostrukturen dieses Typs können bei Aktivierung mit einfallenden Elektronen mit einer gewissen Energiemenge Photonen in dem sichtbaren Feld und dem Nahinfrarotbereich emittieren;
• – metallische Nanokristalle (Au, Ag, Co, Ni, Pt, ...), hergestellt beispielsweise chemisch durch Reduktion von Metallionen in Lösung oder physikalisch durch Aufdampfen des Metalls bei hoher Temperatur; auf der nanometrischen Skala verhalten sich diese Metalle ähnlich einem Halbleiter und können bei Aktivierung sichtbare Photonen oder im Nahinfrarotbereich emittieren;
• – lumineszierende seltene Erden, wie etwa metallorganische Verbindungen von Europium, Terbium (Emission in sichtbarem Bereich), Erbium, Ytterbium (Emission im Infrarotbereich).

Die transparente Schutzschicht 6 der Einrichtung 1 gemäß der Erfindung kann schließlich aus sehr dünnem transparentem Glas (etwa 0,5 mm) bestehen, produziert mit einem Sol-Gel-Prozeß und auf der perkolierten metallischen Schicht 4 durch Aufschleudern, Tauchen, Aufdampfen oder Sputtern hergestellt, oder kann mit einem anderen transparenten Kunststoffdielektrikum hergestellt werden.

Diese Schutzschicht 6 erfordert nicht die Einführung eines Polarisationsfilms, wie bei der O-LED-Technologie erforderlich, für den es notwendig ist, den Kontrast des ausgegebenen Lichts zu erhöhen. Die Schutzschicht 6 der Einrichtung 1 gemäß der Erfindung reduziert zusätzlich dazu, daß sie leicht herzustellen und abzuscheiden ist, die Gesamtkosten des Produktionsprozesses.

In dem in 2 gezeigten Fall befindet sich das metallische mesoporöse Material 4 auf Perkolationsebene in Form einer einzelnen Schicht. Gemäß einer möglichen Variante, schematisch in 3 gezeigt, kann der Effekt des Extrahierens der Elektronen durch die metallischen Inseln, die die perkolierte Schicht darstellen, dadurch erhöht werden, daß die einzelne Schicht 4 von 2 durch ein mehrschichtiges perkoliertes System ersetzt wird.

Die verschiedenen Schichten können aus verschiedenen Metallen oder alternativ Metall/Dielektrikum hergestellt sein. Im ersten Fall, wie in 3 gezeigt, müssen alle die Schichten des Systems, mit 4A angegeben, auf Perkolationsebene sein, um die gleichen Leistungen des in der einzelnen Schicht erhaltenen Elektronentransports zu garantieren, und müssen so verteilt sein, daß sie in direktem Kontakt mit Metallen mit unterschiedlichen Austrittsarbeiten (oder Extraktionspotentialen) stehen. In dem zweiten Fall, in 4 gezeigt, müssen die verschiedenen Schichten 4A von Metall auf Perkolationsebene mit diskontinuierlichen Schichten aus dielektrischem Material, von denen eine mit 4B angezeigt ist, abgewechselt werden. Die Diskontinuität der dielektrischen Schichten 4B soll im wesentlichen eine elektrische Leitung durch das mehrschichtige System (und nicht durch jede einzelne metallische Schicht) garantieren.

Bekannterweise steigen Phänomene der Elektronenemission durch ein Metall, entweder aufgrund thermischer Emission oder Elektronentunnelung, hinsichtlich Intensität, wenn Atome eines Elements, das durch eine niedrige Austrittsarbeit charakterisiert ist, auf der Oberfläche eines Metalls verteilt sind, das durch einen hohen Austrittsarbeitswert gekennzeichnet ist, und umgekehrt. Die mehrschichtige Lösung stellt sicher, daß das Elektrolumineszenzbauelement einen extrem riesigen Kontaktbereich aufweist, der die Möglichkeiten eines Kontakts zwischen metallischen Inseln verschiedener Elemente erhöht und zum Heraufsetzen der Anzahl von Elektronen beiträgt, die durch Tunnelungseffekt extrahiert werden. Kombinationen von Metallen, für die Elektronenemission durch Tunnelungseffekt für an kontinuierliche Elektroden angelegte wenige Elektronenvolt möglich ist, sind: Ca-Al, Ca-Ag, Ca-Cu, Ca-Au, Al-Au, Ag-Au.

Die Charakteristiken der Erfindung ergeben sich aus der angegebenen Beschreibung. Abgesehen von vergrößerter Stabilität zählen zu den Vorteilen, die die neue Elektrolumineszenzeinrichtung von den Charakteristiken der perkolierten metallischen Schicht bezieht:

• – die Möglichkeit, Lichtemission in beiden Richtungen zu erhalten, da ein metallisches System auf Perkolationsebene fast vollständig transparent ist;
• – die Verwendung von Lösungen mit mehreren Schichten unterschiedlicher Schichten aus diskontinuierlichen Filmen hat den Vorteil, das Gesamtvolumen zu vergrößern, aus dem Licht emittiert wird.

Dem Fachmann ist klar, daß es für die als ein Beispiel beschriebene Elektrolumineszenzeinrichtung zahlreiche mögliche Varianten gibt, ohne von den Schutzbereichen intrinsischer Neuheit der Erfindung abzuweichen.