Carrier injection mechanism of Nb-doped ZnO thin films in light emission properties

• Autorzy: Jusoh Yaumee Natasha , Arith Faiz , Khafe Adie Mohd , Mohd Chachuli Siti Amaniah , Nor Mohd Khanapiah , Mustafa Ahmad Nizamuddin , Salehuddin Fauziyah

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.11.17

Warianty tytułu

PL

Mechanizm wtrysku nośników cienkich warstw ZnO domieszkowanych Nb w właściwościach emisji światła

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hydrothermal growth of Nb-doped ZnO (NZO) films is facilely synthesized as an effective anode buffer layer in enhancing the charge carrier injection, increasing the overall performance of organic light-emitting diodes (OLEDs). The interface between the electrode and the organic layer in an OLED is a critical region that significantly impacts device performance. The presence of an energy barrier at this interface affects charge injection and recombination, influencing brightness, power efficiency, and operational lifetime. Consequently, electrode selection plays a crucial role in determining the overall performance of OLEDs. This study suggests the incorporation of Nb impurity within a ZnO thin film, serving as an interface layer commonly referred to as the anode buffer layer. NZO nanoparticles have also experienced a surface ultraviolet (UV)-ozone treatment and are characterised by UV-visible, SEM, and Raman spectroscopy. SEM images of the NZO films offer insights into the surface morphology of NZO films, while Raman spectroscopy enables the assessment of their structural and compositional attributes. Additionally, analysis by UV-visible spectroscopy demonstrates that the band gap energy of NZO nanoparticles varies with growth time. Measured values for growth times of 8, 10, 12, and 14 hours are 5.09 eV, 4.79 eV, 4.78 eV, and 4.77 eV, respectively. The result revealed that the lowest band gap was achieved by NZO from a 14-hour growth time, thus yielding high recombination and enhancing the carrier injection in the OLED. This study has successfully revealed the potential of UV ozone-treated NZO ultrathin films, with their enhanced properties, to serve as effective anode buffer materials and improve OLED performance.

PL

Hydrotermiczny wzrost folii ZnO domieszkowanych Nb (NZO) można łatwo syntetyzować jako skuteczną warstwę buforową anody, poprawiającą wtrysk nośnika ładunku, zwiększając ogólną wydajność organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED). Interfejs między elektrodą a warstwą organiczną w OLED to krytyczny obszar, który znacząco wpływa na wydajność urządzenia. Obecność bariery energetycznej na tym interfejsie wpływa na wstrzykiwanie i rekombinację ładunku, wpływając na jasność, wydajność energetyczną i żywotność. W związku z tym wybór elektrod odgrywa kluczową rolę w określaniu ogólnej wydajności diod OLED. Badanie to sugeruje wprowadzenie domieszki Nb do cienkiej warstwy ZnO, służącej jako warstwa pośrednia, powszechnie nazywana warstwą buforową anody. Nanocząsteczki NZO zostały również poddane powierzchniowej obróbce ozonem ultrafioletowym (UV) i charakteryzują się spektroskopią w zakresie widzialnym UV, SEM i Ramana. Obrazy SEM filmów NZO umożliwiają wgląd w morfologię powierzchni filmów NZO, natomiast spektroskopia Ramana umożliwia ocenę ich cech strukturalnych i składu. Ponadto analiza za pomocą spektroskopii widzialnej w zakresie UV pokazuje, że energia pasma wzbronionego nanocząstek N2O zmienia się wraz z czasem wzrostu. Zmierzone wartości dla czasów wzrostu 8, 10, 12 i 14 godzin wynoszą odpowiednio 5,09 eV, 4,79 eV, 4,78 eV i 4,77 eV. Wynik ujawnił, że NZO osiągnęło najniższe pasmo wzbronione w 14-godzinnym czasie wzrostu, zapewniając w ten sposób wysoką rekombinację i usprawniając wtrysk nośnika do OLED. Badanie to z powodzeniem ujawniło potencjał ultracienkich folii NZO poddanych działaniu promieni UV, wraz z ich ulepszonymi właściwościami, jako skuteczne materiały buforowe anodowe i poprawiające wydajność diod OLED.

Słowa kluczowe

EN

OLED; anode buffer layer; bandgap; niobium

PL

dioda OLED; warstwa buforowa anody; pasmo wzbronione; niob

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 11
• Strony: 94--98
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Jusoh Yaumee Natasha

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

autor

Arith Faiz

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

autor

Khafe Adie Mohd

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

autor

Mohd Chachuli Siti Amaniah

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

autor

Nor Mohd Khanapiah

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

autor

Mustafa Ahmad Nizamuddin

• Department of Materials, Faculty of Engineering, Imperial College London

autor

Salehuddin Fauziyah

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Faculty of Electronics and Computer Technology Hang Tuah Jaya

Bibliografia

• [1] Mullemwar, S. Y., Kalyani, N. T., & Dhoble, S. J. (2023). OLEDs: Emerging technology trends and designs. In Phosphor Handbook (pp. 307-328). Woodhead Publishing.
• [2] Burrows, P. E., Gu, G., Forrest, S. R., Vicenzi, E. P., & Zhou, T. X. (2000). Semitransparent cathodes for organic light emitting devices. Journal of Applied Physics, 87(6), 3080-3085.
• [3] Hung, L. S., Tang, C. W., & Mason, M. G. (1997). Enhanced electron injection in organic electroluminescence devices using an Al/LiF electrode. Applied Physics Letters, 70(2), 152-154.
• [4] Mason, M. G., Hung, L. S., Tang, C. W., Lee, S. T., Wong, K. W., & Wang, M. (1999). Characterization of treated indium–tin– oxide surfaces used in electroluminescent devices. Journal of Applied Physics, 86(3), 1688-1692.
• [5] Kim, H., Pique, A., Horwitz, J. S., Mattoussi, H., Murata, H., Kafafi, Z. H., & Chrisey, D. B. (1999). Indium tin oxide thin films for organic light-emitting devices. Applied physics letters, 74(23), 3444-3446.
• [6] Yu, H. Y., Feng, X. D., Grozea, D., Lu, Z. H., Sodhi, R. N. S., Hor, A. M., & Aziz, H. (2001). Surface electronic structure of plasma-treated indium tin oxides. Applied Physics Letters, 78(17), 2595-2597.
• [7] Hu, T., Zhang, F., Xu, Z., Zhao, S., Yue, X., & Yuan, G. (2009). Effect of UV–ozone treatment on ITO and postannealing on the performance of organic solar cells. Synthetic Metals, 159(7-8), 754-756.
• [8] Li, C. N., Kwong, C. Y., Djurišić, A. B., Lai, P. T., Chui, P. C., Chan, W. K., & Liu, S. Y. (2005). Improved performance of OLEDs with ITO surface treatments. Thin Solid Films, 477(1-2), 57-62.
• [9] Ma, K. X., Ho, C. H., Zhu, F., & Chung, T. S. (2000). Investigation of surface energy for organic light emitting polymers and indium tin oxide. Thin Solid Films, 371(1-2), 140- 147.
• [10] Rudawska, A., & Jacniacka, E. (2009). Analysis for determining surface free energy uncertainty by the Owen– Wendt method. International journal of adhesion and adhesives, 29(4), 451-457.
• [11] Wu, C. C., Wu, C. I., Sturm, J. C., & Kahn, A. (1997). Surface modification of indium tin oxide by plasma treatment: An effective method to improve the efficiency, brightness, and reliability of organic light emitting devices. Applied Physics Letters, 70(11), 1348-1350.
• [12] Kim, H., Pique, A., Horwitz, J. S., Mattoussi, H., Murata, H., Kafafi, Z. H., & Chrisey, D. B. (1999). Indium tin oxide thin films for organic light-emitting devices. Applied physics letters, 74(23), 3444-3446.
• [13] Huang, W. L., Chu, S. Y., & Kao, P. C. (2022). Investigation of improving organic light-emitting diodes efficiency using an ultrathin ultraviolet-ozone-treated Nb-doped ZnO film as anode buffer layer. Journal of Alloys and Compounds, 921, 166033.
• [14] Satheesan, M. K., Vani, K., & Kumar, V. (2017). Acceptordefect mediated room temperature ferromagnetism in (Mn2+, Nb5+) co-doped ZnO nanoparticles. Ceramics International, 43(11), 8098-8102.
• [15] Aliyaselvam, O. V., Junos, S. M., Arith, F., Izlan, N., Said, M. M., & Mustafa, A. N. (2022). Optimization of Copper (I) Thiocyanate as Hole Transport Material for Solar Cell by Scaps-1D Numerical Analysis. Przegl.
• [16] Aliyaselvam, O. V., Arith, F., Mustafa, A. N., Chelvanathan, P., Azam, M. A., & Amin, N. (2023). Incorporation of green solvent for low thermal budget flower-like Copper (I) Iodide (γ-CuI) for high-efficiency solar cell. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 34(16), 1274.
• [17] Noorasid, N. S., Arith, F., Mustafa, A. N., Azam, M. A., Suhaimy, S. H. M., & AL-ANI, O. A. (2021). Effect of Low Temperature Annealing on Anatase TiO2 Layer as Photoanode for Dye-Sensitized Solar Cell. Przeglad Elektrotechniczny, 97(10).
• [18] Jafari, H., Sadeghzadeh, S., Rabbani, M., & Rahimi, R. (2018). Effect of Nb on the structural, optical and photocatalytic properties of Al-doped ZnO thin films fabricated by the sol-gel method. Ceramics International, 44(16), 20170-20177.
• [19] Keis, K., Magnusson, E., Lindström, H., Lindquist, S. E., & Hagfeldt, A. (2002). A 5% efficient photoelectrochemical solar cell based on nanostructured ZnO electrodes. Solar energy materials and solar cells, 73(1), 51-58.
• [20] Liang, S., Sheng, H., Liu, Y., Huo, Z., Lu, Y., & Shen, H. J. J. O. C. G. (2001). ZnO Schottky ultraviolet photodetectors. Journal of crystal Growth, 225(2-4), 110-113.
• [21] Rensmo, H., Keis, K., Lindström, H., Södergren, S., Solbrand, A., Hagfeldt, A., ... & Muhammed, M. (1997). High light-to energy conversion efficiencies for solar cells based on nanostructured ZnO electrodes. The Journal of Physical Chemistry B, 101(14), 2598-2601.
• [22] Dong, L., Jiao, J., Tuggle, D. W., Petty, J. M., Elliff, S. A., & Coulter, M. (2003). ZnO nanowires formed on tungsten substrates and their electron field emission properties. Applied Physics Letters, 82(7), 1096-1098.
• [23] Taziwa, R., Ntozakhe, L., & Meyer, E. (2017). Structural, morphological and Raman scattering studies of carbon doped ZnO nanoparticles fabricated by PSP technique. J Nanoscience & Nanotechnology Res, 1, 1-3.
• [24] Cao, C., Ford, D., Bishnoi, S., Proslier, T., Albee, B., Hommerding, E., ... & Zasadzinski, J. F. (2013). Detection of surface carbon and hydrocarbons in hot spot regions of niobium superconducting rf cavities by Raman spectroscopy. Physical Review Special Topics-Accelerators and Beams, 16(6), 064701.
• [25] Zhang, H., Deng, J., Pan, Z., Bai, Z., Kong, L., & Wang, J. (2017). Structural and optical properties of Nb-doped β-Ga2O3 thin films deposited by RF magnetron sputtering. Vacuum, 146, 93-96.
• [26] Wang, Z. L. (2004). Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications. Journal of physics: condensed matter, 16(25), R829.
• [27] Hung, L. S., Tang, C. W., & Mason, M. G. (1997). Enhanced electron injection in organic electroluminescence devices using an Al/LiF electrode. Applied Physics Letters, 70(2), 152-154.
• [28] Mertens, K. (2018). Photovoltaics: fundamentals, technology, and practice. John Wiley & Sons.
• [29] Hammad, A. H., & Abdel-wahab, M. S. (2021). Characterization of niobium-doped zinc oxide thin films: Structural changes and optical properties. Materials Today Communications, 26, 101791.
• [30] Peach, L. A. (1997). Optical filters select appropriate wavelengths. Laser focus world, 33(2), 141-150.
• [31] Milošević, I., Stevanović, V., Tronc, P., & Damnjanović, M. (2006). Symmetry of zinc oxide nanostructures. Journal of Physics: Condensed matter, 18(6), 1939.
• [32] Hirata, Y. (2020). Unified representation of thermal conductivities for movement of electrons and lattice vibration of atoms. Ceramics International, 46(8), 10130-10134.
• [33] Alias, N. S. N. M., Arith, F., Mustafa, A. N., Ismail, M. M., Azmi, N. F., & Saidon, M. S. (2022). Impact of Al on ZnO Electron Transport Layer in Perovskite Solar Cells. Journal of Engineering & Technological Sciences, 54(4).
• [34] Alias, N. S. N. M., Arith, F., Mustafa, A. N. M., Ismail, M. M., Chachuli, S. A. M., & Shah, A. S. M. (2022). Compatibility of Aldoped ZnO electron transport layer with various HTLs and absorbers in perovskite solar cells. Applied Optics, 61(15), 4535-4542.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).