Введение к работе
Актуальность проблемы. Разработка нового поколения электролюминесцентных индикаторных устройств отображения информации, физической основой которых является электролюминесценция широкозонных полупроводниковых кристаллофосфоров (электролюминесцентные конденсаторы постоянного и переменного тока эксплуатируемые в условиях сильного электрического поля до 10 В/м) требует дальнейшего повышения яркости и эффективности.
Столь большое внимание к повышению эффективности и яркости электролюминофоров, возбуждаемых постоянным электрическим полем (ЭЛПП), требует всесторонних физико-химических исследований процессов формирования гетероперехода в электролюминофорах на основе Cit^S - ZnS:Mn, изучение состояния поверхности зерна и механизма воздействия электрического поля на состав и структуру высокоомного барьера. Таким образом, дальнейшее кардинальное повышение эффективности и яркости электролюминофора возможно лишь на основе полной физической картины формирования как самого гетероперехода в электролюминофоре, так и адекватной математической модели электродпффузии заряженных дефектов кристаллической решетки в сильном неоднородном электрическом поле.
Проблема построения математической модели электродиффузии заряженных дефектов кристаллической решетки в сильном неоднородном электрическом поле и связанные с ней процессы деградации электролюминесцентных излучателей (ЭЛИ) позволяют глубже понять физико-химические процессы, которые протекают при помещении кристаллов люминофора в электрическое поле, то есть внести вклад в теорию электролюминесценции.
В связи с вышеизложенным, можно сделать вывод о том, что комплексное исследование физико-химических процессов происходящих в гетеропереходе CitjS —ZnS:Cu,Mn, в предпробойном режиме возбуждения, является актуальной работой, имеющей большое научное и практическое применение.
Цель работы. Цель настоящей работы состояла в выявлении факторов, определяющих эффективность электролюминесценции в ЭЛИ, построение математической модели электродиффузии заряженных дефектов кристаллической
решетки в сильном неоднородном электрическом поле и изучение физико-химических превращений в высокоомиом барьере.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучение механизма структурных и фазовых превращений в поликристаллической системе CujS—ZnS.
-
Синтез, исследование физико-химических процессов в порошковых и тонкопленочных электролюминесцентных излучателях на основе CuxS - ZnS, и процессов электродиффузин, возникающих в гетеропереходе CuxS-ZnS.Cu.Mn.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование электрофизических и электродиффузионных параметров и характеристик тонкопленочных излучателей постоянного тока, а также оценка энергетической эффективности ЭЛИ постоянного тока.
-
Разработка математической модели, основного механизма деградации электролгоминесцентиых структур постоянного тока: электродиффузии заряженных дефектов кристаллической решетки в сильном неоднородном электрическом поле, и решение ее методами конечно-разностной аппроксимации. Подтверждение достоверности разработанной математической модели электродиффузии, путем сравнения экспериментальных электрофизических и оптических характеристик электролюмпнофора с теоретическими расчетами, с тем, чтобы предложить на их основе механизм образования гетероперехода в ЭЛПП. Использование разработанной модели для описания деградационных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах постоянного тока.
-
Выделение вкладов различных компонентов деградации: электродиффузионного, электрохимического її связанного с изменением состава фазы в гетеропереходе CuAS - ZnS, и определение их влияния на общий спад яркости ЭЛИ
Научная иошпнп. Методами рентгенографии, термического и электронно-микроскопического анализа установлен и изучен механизм структурных и фазовых превращений в поликристаллической системе Cu^S - ZnS. Рассмотрены основные теоретические представления об особенностях формовки в устройствах на основе электролюмипофоров постоянного тока и о связи их физн-
ко-химическнх свойств с хараг^геристиками изделия. Разработана физическая и математическая модели процесса диффузии меди в ЭЛПП. На этой основе предложен механизм деградашш. Исследования охватили широкий ряд электролюмннесцеитных излучателей: порошковых, пленочных, изготовленных по различным технологиям. Научная новизна работы в защищаемых положениях. Положения, пыпоснмые на защиту:
-
Взаимосвязь физико-химических свойств кристаллофосфоров на основе ZnS со светотехническими и электрофизическими характеристиками электролюмннесцеитных структур на их основе с учетом технологических факторов формовки этих структур.
-
Математическая модель электроднффузнонных процессов в ЭЛПП па основе CiijS - ZnS:Mn, приводящих к деградации электролюминофора в сильном неоднородном электрическом поле, которая объясняет имеющуюся совокупность экспериментальных данных по старению порошковых и тонкоп-леиочных ЭЛИ постоянного тока. Оценка относительной роли электроднффузнонных процессов в общем спаде яркости ЭЛИ в процессе эксплуатации. Механизм протекания электроднффузнонных процессов в системе CuxS - ZnS:Mn и оценка возможного влияния изменения стехиометрии фазы CuxS в гетеропереходе CuxS - ZnS:Mn на деградацию электролюминофоров и природу механизма токопрохождения.
3. Обнаруженная взаимосвязь, и ее теоретическое объяснение, физико-
химических свойств гетероперехода CuxS - ZnS:Mn со светотехническими и
электрофизическими характеристиками электролюминесцентных структур, за
висящими от технологических факторов формирования этой структуры.
4. Рекомендации по разработке технологии направленного синтеза не
органических люминофоров постоянного тока и расширения сферы примене
ния электролюминесцентных изделий, в том числе, по созданию стабильных
структур, обладающих повышенным сроком службы.
Практическая значимость работы заключается в создании основ для получения электролюмннесцеитных устройств с улучшенными характеристиками.
-
Получены аналитические зависимости для численных расчетов процесса электродиффузпн заряженных дефектов кристаллической решетки в сильном неоднородном электрическом поле, что дает возможность исследовать влияние технологических факторов синтеза электролюминофора и условий возбуждения на срок службы ЭЛИ
-
Получены аналитические зависимости для определения требуемых электрофизических и конструктивных параметров слоев тонкопленочных электролюминесцентных излучателей постоянного тока, необходимых для получения рабочих напряжений не превышающих 20 В и максимальную энергетическую эффективность.
-
Результаты математического моделирования элсктродиффузионных процессов, протекающих в высокоомном барьере ЭЛПП, позволяют разработать практические рекомендации по технологии их изготовления, хранения и эксплуатации, путем изменения химического состава люминофора и параметров технологического синтеза ЭЛПП за счет изменения диффузионно-дрейфовых характеристик меди.
4. Предложен механизм протекания электродпффузионпых процессов
при формировании гетероперехода CuxS - ZnS:Mn в результате диффузии меди
в глубь зерна электролюминофора и исследован механизм токопрохождения.
Апробации раГюты. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: IV Всероссийском совещании «Физика и технология широкозопных полупроводников» (Махачкала, 1993 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные материалы и технологии для средств отображения информации» (Кисловодск, 1996 г.); III региональной конференции по микроэлектронике (Нижний Новгород, 1996 г.); I научной конференции молодых ученых и студентов ставропольского края (Ставрополь 1994 г.); Межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек» (Ставрополь, 1996 г.); XXVI научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов за 1995 г. (Ставрополь, 1996 г.). XXIX научно-технической конференции по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аеппран-
тов и студентов за 1998 г. (Ставрополь, 1999 г.); III региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (22-23 ноября 1999 года, г. Ставрополь). Ставрополь: СевКавГТУ, 1999.
Публикации. Автором опубликовано 7 работ непосредственно по теме диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 145 страницы машинописного тексти, 27 рисунков, 2 таблицы, 193 наименования литературы.
