ES2368287A1 - Dispositivo electroluminiscente y procedimiento de fabricación del mismo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo electroluminiscente y procedimiento de fabricación del mismo.Se describe un dispositivo electroluminiscente conformado a partir de una monocapa de esferas que comprenden elementos emisores de luz tanto orgánicos como inorgánicos que se encuentra definida sobre un substrato que comprende una capa de oro depositada sobre una oblea.
Description
Dispositivo electroluminiscente y procedimiento
de fabricación del mismo.
La presente invención se refiere al campo de los
dispositivos de emisión lumínica en campo lejano.
El objeto de la invención consiste en un
dispositivo electroluminiscente y su método de fabricación
correspondiente.
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Actualmente, al contrario que con los métodos de
fabricación utilizados en la industria microelectrónica, costosos en
cuanto a precio y tiempo, la micro/nanoestructuración empleando
litografía con partículas coloidales se ha convertido en un método
generalizado para producir estructuras periódicas bidimensionales
(2D) con una gran variedad de topologías que podrían encontrar
aplicación en muchos campos diferentes tales como biosensores o la
microelectrónica. Por lo que respecta al campo de la fotónica, donde
el objetivo es controlar la propagación y emisión de la luz, los
sistemas periódicos 2D fabricados a partir de monocapas (MC) de
esferas dieléctricas han sido investigadas a fondo en los últimos
años. Su uso en forma de cristales fotónicos se ha explorado tanto
teórica como experimentalmente, así como su uso potencial tanto como
dispositivos para modificar la emisión de películas de nanocristales
de semiconductor, asimismo su uso a modo de matrices de microlentes
para mejorar la extracción de luz de diodos emisores de luz (LED),
ha sido demostrada recientemente.
La nanoestructuración basada en técnicas de
auto-ensamblaje también ha sido explotada en la
fabricación de estructuras para plasmónica. Debido a la sensibilidad
de estos sistemas a la topología del metal, el grado de control que
ofrecen las muestras auto-ensambladas en combinación
con técnicas de crecimiento tales como la deposición electroquímica,
puede producir estructuras con nuevas funcionalidades. Sistemas de
nano-huecos en una matriz de metal han demostrado
ser una manera eficaz de controlar la relación de dispersión de los
plasmones de superficie que combina estados plasmónicos localizados
y deslocalizados (Kelf, T. A.; Sugawara, Y.; Baumberg, J. J.;
Abdelsalam, M. E.; Barlett, P. N. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 116802;
Kelf, T. A.; Sugawara, Y.; Cole, R. M.; Baumberg, J. J.; Abdelsalam,
M. E.; Cintra, S.; Mahajan, S.; Russell, A.E.; Barlett, P. N. Phys.
Rev. B 2006). También, los metales periódicamente estructurados
obtenidos de esta manera se han utilizado con éxito como sustratos
para Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) (Baumberg, J. J.;
Kelf, T. A.; Sugawara, Y.; Cintra, S.; Abdelsalam, M. E.; Barlett,
P. N.; Russell, A. E. Nano Lett. 2005).
Recientemente, la combinación de sistemas
fotónicos y plasmónicos se ha demostrado como un medio para obtener
altas intensidades de campo electromagnético en regiones espaciales
con dimensiones inferiores a la longitud de onda. En estos sistemas
las pérdidas asociadas con los plasmones se evitan y las
aplicaciones como guías de onda han sido presentadas. Del mismo
modo, se pueden fabricar MC auto-ensambladas a
partir de esferas dieléctricas depositadas sobre sustratos que
soporten plasmones donde modos fotónicos, plasmónicos y modos
híbridos pueden coexistir (Cole, R. M.; Sugawara, Y.; Baumberg, J.
J.; Mahajan, S.; Abdelsalam, M. E.; Barlett, P. N. Phys. Rev. Lett.
2006).
Los cristales fotónicos 2D basados en esferas
dieléctricas han sido ampliamente estudiados durante los últimos
años en particular las estructuras
"free-standing" o sin sustrato (donde se toma
como índice de refracción del sustrato el del vacío: n=1) en los
cuales se sabe que pueden darse tanto modos guiados como modos
"leaky" o con pérdidas, donde los primeros están confinados
verticalmente por reflexión interna total, mientras que los segundos
pierden energía a través del acoplamiento a los modos del medio
circundante. Dado que no es posible el acoplamiento de los modos
guiados al medio circundante (y viceversa) las medidas de campo
lejano sólo proporcionan información sobre los modos "leaky".
Para el escenario "free-standing" los modos
"leaky" aparecen como picos (caídas) en un espectro de
reflexión (transmisión) de campo lejano. Para el caso de una MC
depositada sobre un sustrato dieléctrico
semi-infinito, que es un escenario más realista
desde el punto de vista de la fabricación que la de un
"free-standing", las pérdidas al sustrato son
mucho mayores. Finalmente, en el caso de que nsub> neff (donde
neff es el índice de refracción efectivo de la monocapa y nsub el
índice del sustrato) no hay modos guiados. Esto significa que no
habrá confinamiento de la luz en la monocapa y su uso en
dispositivos fotónicos será limitado.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo objeto de la invención es un
dispositivo electroluminiscente sintonizable mediante estímulos
externos, dicho dispositivo comprende una serie de emisores de luz
embebidos en unas esferas que conforman una monocapa que recubre un
substrato para dar forma al dispositivo objeto de la invención.
Dichos emisores pueden ser colorantes orgánicos distribuidos como
emisores de luz u otros emisores de luz tales como puntos cuánticos
(QDs) o vacantes de N en diamante dispuestos en el volumen de las
esferas de polímero que se encuentran ordenadas periódicamente sobre
una lámina de oro depositada sobre una oblea, donde estas últimas
definen en el sustrato.
\newpage
Dichas esferas contienen los emisores de luz en
su interior y se pueden obtener mediante técnicas de polimerización
en emulsión, donde el líquido desde el que se conforma la esfera (de
unos 500 nm de diámetro) comprende la solución con el monómero y el
emisor de luz en particular, ya sea éste un colorante orgánico, un
punto cuántico o centros N-V (vacante de nitrógeno)
en diamante.
Haciendo uso de la concentración de campo
eléctrico en el núcleo de las esferas, como consecuencia de la
presencia del sustrato compuesto por una oblea, que puede ser de
vidrio o de silicio o cualquier otro material con una rugosidad
inferior a 5 nm, y la película de oro, se puede:
- -
- aumentar la eficiencia de extracción de la emisión del colorante orgánico (comparado con sistemas similares crecidos sobre sustratos dieléctricos) lo que supone un aumento en la eficiencia del dispositivo final
- -
- aumentar la direccionalidad de la emisión con respecto a un dispositivo que no presente la periodicidad en la lámina dieléctrica
- -
- obtener una emisión altamente polarizada.
\vskip1.000000\baselineskip
En el caso de utilizar colorantes orgánicos a
modo de emisores de luz éstos tienen una emisión en el rango visible
(con una longitud de onda en torno a los 600 nm), aunque el tipo de
fuente puede ser modificado en función de la finalidad del
dispositivo. Por una parte el rango de emisión de la fuente puede
ser variado, beneficiándonos de la posibilidad de desplazar
espectralmente los modos del sistema variando la periodicidad
mediante un cambio en el diámetro de las esferas empleadas; de esta
forma se puede variar la operatividad del sistema a lo largo del
campo visible o del infrarrojo cercano
(VIS-NIR).
Por otra parte, el tipo de fuente de luz
empleada no ha de restringirse a los colorantes orgánicos, tal y
como se descrito anteriormente el material de la matriz para la
fuente de luz (emisores de luz de las esferas poliméricas) es
versátil a la hora de introducir fuentes de luz de distinta
naturaleza. Durante el proceso de síntesis de las esferas se pueden
incluir otros materiales luminiscentes tales como puntos cuánticos o
centros N-V (vacante de nitrógeno) en diamante, que
pueden resultar más adecuados cuando se busque una emisión más
estrecha espectralmente.
El dispositivo objeto de la invención puede
trabajar con el campo eléctrico concentrado principalmente en el
centro de las esferas, es decir puede trabajar en el denominado modo
fotónico, o también puede hacer uso de los modos con el campo
eléctrico concentrado en la superficie de oro, es decir trabajar en
modos plasmónicos, o trabajar en modos híbridos. Estos modos, aunque
presentan el problema de la absorción debido a la cercanía del
metal, ofrecen la posibilidad de depositar distintos tipos de emisor
una vez fabricado el dispositivo, a diferencia de una configuración
inicial del dispositivo anteriormente descrita en la que el material
emisor está fijado en el proceso de fabricación.
Debido a la naturaleza de los materiales
empleados en su fabricación, el presente dispositivo ofrece la
posibilidad de realizar una sintonización fina de sus propiedades
ópticas (y por tanto de su emisión) mediante un
post-proceso de ataque con plasma de oxígeno (plasma
etching). En dicho proceso, las esferas que forman el cristal pueden
ser reducidas homogéneamente en diámetro de tal forma que el
parámetro de red se mantiene constante al mismo tiempo que se varía
el porcentaje de llenado de la estructura. La reducción del
porcentaje de llenado requerido del material orgánico es altamente
controlable con esta tecnología lo que le confiere a esta técnica
control nanométrico sobre el diámetro de las esferas. Esto permite
una variación muy controlada de la posición espectral de los modos
del sistema y por lo tanto de sus características de emisión, además
de la sintonización, este tipo de ajuste permite el control de la
distribución angular de la emisión característico del sistema.
Como ampliación de esta técnica, es posible
obtener heteroestructuras complejas tales como un
semiconductor-orgánico donde el material orgánico
proporciona la sintonizabilidad y el semiconductor la emisión. Tal y
como se ha descrito anteriormente, dicha estructura podría ser una
monocapa orgánica depositada sobre un substrato que comprende una
capa de oro donde toda la estructura ha sido cubierta por una
monocapa conformada a partir de emisores inorgánicos como por
ejemplo puntos cuánticos.
Esto permite evitar los efectos derivados de la
reducción de las esferas dopadas, donde al eliminar material
estructural (típicamente poliestireno) se elimina también el emisor,
reduciendo así la intensidad total emitida.
Por último, dependiendo del material orgánico
utilizado, el ratio de reducción con el tiempo puede ser muy
diferente (de nm/sec hasta varios nm/hora). La fabricación de
estructuras mixtas de esferas de diferentes materiales permite por
lo tanto la reducción selectiva de algunas de las esferas que forma
la estructura lo cual permite la fabricación de microcavidades
aleatoriamente distribuidas en la red con aplicación en emisión de
medios con desorden controlado.
Tal y como se descrito anteriormente el
dispositivo objeto de la invención puede ser sintonizado, para ello
se puede sintonizar la respuesta óptica del dispositivo a partir de
la variación de alguno de los parámetros que definen dicha
respuesta. Dichas sintonizaciones pueden ser:
- -
- Sintonización estructural: Empleando esferas poliméricas con un cierto porcentaje de hidrogel se puede modificar el volumen de las esferas (y por tanto el factor de llenado de la estructura, lo que afecta las propiedades ópticas) mediante cambios en la temperatura del ambiente en que se encuentre el dispositivo. Funcionalizando adecuadamente el hidrogel se puede hacer que el cambio de volumen responda a cambios en la concentración de ciertas moléculas, lo que las haría candidatas para ser empleadas como sensores.
- -
- Sintonización por cambios en el índice de refracción: Los modos que forman la respuesta óptica del dispositivo son altamente dependientes del índice de refracción de los materiales que conforman la estructura. Por lo tanto, cualquier variación introducida en alguno de estos índices tendrá un efecto directo sobre los modos y la emisión del dispositivo. Introduciendo moléculas no-lineales en la matriz polimérica que forma las esferas (lo cual puede hacerse a la vez que se introducen las fuentes de luz) se puede modificar el índice de las esferas al ser iluminadas con un haz intenso de luz. Si este haz es pulsado y de corta duración, el dispositivo podría ser empleado como conmutador óptico.
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- -
- Sintonización mediante fuentes de luz: Otra alternativa para sintonizar la emisión del sistema es mediante el empleo de fuentes de luz (tales como los centros N-V (vacante de nitrógeno) en diamante) cuyas propiedades de emisión puedan ser alteradas mediante la aplicación de campos eléctricos o magnéticos.
\vskip1.000000\baselineskip
Finalmente el dispositivo objeto de la invención
requiere una excitación de los emisores de luz, para ello se puede
emplear por ejemplo un proceso de excitación óptica (mediante diodos
láser) o también se puede emplear bombeo eléctrico (ideal para la
fabricación de un LED) añadiendo un material conductor y
transparente sobre las esferas como por ejemplo el Indium Tin Oxide
(ITO). La implementación básica podría consistir en la deposición de
una película transparente y conductora sobre las esferas dopadas de
colorante, donde materiales como el ITO son típicamente usados. Es
importante resaltar que en este caso es el modo centrado en las
esferas el que produce el aumento en la emisión y, por lo tanto, es
necesario la utilización de polímeros conductores para la
fabricación de las esferas dopadas con el colorante orgánico.
En una de las posibles configuraciones del
dispositivo objeto de la invención se hace uso emisión de una
monocapa de esferas de poliestireno dopadas con colorantes orgánicos
y depositada sobre sustratos con capa delgada de oro. En estas
estructuras los modos se dividen en modos de guía de onda (WG),
asociados con el cristal fotónico dieléctrico; modos plasmónicos
(SPP), localizados en la superficie del metal, y modos híbridos
(WG-SPP), cuyo campo eléctrico se extiende tanto en
las esferas como en la superficie del metal.
\vskip1.000000\baselineskip
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva del
dispositivo objeto de la invención.
Figura 2.- Muestra una imagen de microscopía
electrónica de barrido (SEM) del dispositivo objeto de la invención
con esferas de poliestireno de 520 nm y un colorante orgánico
(Rodamina 6G) distribuido homogéneamente en su volumen.
Figura 3.- Muestra una gráfica de la emisión en
coordenadas polares para una monocapa de esferas de poliestireno de
520 nm de diámetro crecida sobre un sustrato de oro y sobre un
sustrato de silicio para una frecuencia reducida \omega = 0.8 a lo
largo de la dirección \GammaM en el espacio recíproco.
\vskip1.000000\baselineskip
A la vista de las figuras se describe a
continuación un modo de realización preferente del objeto de esta
invención.
El dispositivo (1) se fabrica mediante un método
de deposición vertical tal y como se detalla en la figura 1. Para
ello se coloca un sustrato (2) rígido verticalmente en una solución
acuosa de esferas (3), con una concentración lo suficientemente baja
(0,08% en peso.) como para que se deposite una capa (4) ordenada de
esferas (3) dieléctricas a medida que el disolvente se evapora (ver
fig. 1). El proceso de crecimiento se realiza en un horno con
temperatura (50ºC) y humedad (20%) controlada. Se emplean esferas
(3) de poliestireno (obtenidas de la compañía Duke Scientific) con
un diámetro de 520 nm, aunque se pueden emplear esferas (3) de otros
polímeros o incluso esferas (3) inorgánicas (por ejemplo de SiO2).
Las esferas (3) contienen un emisor de luz (7), en este caso un
colorante (5) orgánico (Rodamina 6G), distribuido de forma homogénea
en todo su volumen. Tal y como se observa en la figura 2, el
diámetro de la esfera (3) fue elegido para colocar la emisión del
colorante (5) en una región espectral de la relación de dispersión
de la muestra de forma que solape con los tres tipos de modos
presentes en estas estructuras. La posibilidad de sintonizar la
posición espectral de los modos a través del diámetro de las esferas
(3) permitiría emplear otro tipo de colorantes con una emisión
distinta desde el visible hasta el infrarrojo cercano donde las
esferas (3) son transparentes. Para fabricar el o los sustratos (2)
se han empleado obleas de silicio de 450 micras de espesor (ACM)
sobre las cuales se deposita una delgada (60 nm) película de oro (8)
mediante bombardeo iónico.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Con el fin de garantizar la adherencia de la
película de oro (8) a la oblea de silicio se depositó previamente
una capa de cromo (6) de 2 nm de espesor. La rugosidad de la
película de oro (8), que pude influir sobre la calidad de la capa
(4) dieléctrica, se estudió mediante microscopía de fuerza atómica
(AFM) y se obtuvieron valores por debajo de 1 nm. Como muestra de
referencia se empleó una capa (4) de las mismas esferas (3) con un
espesor de una esfera (3) crecidas sobre sustrato (2) de silicio sin
la película de oro (8).
En esta realización preferente de la invención
se incluye la deposición de una capa de cromo (6) sobre la oblea
sobre la cual se deposita posteriormente la película de oro (8) para
afianzar el anclaje de dicha película de oro (8) a la oblea; pero
tal y como se indica anteriormente en otra posible realización del
objeto de la invención la deposición de la película de oro (8) se
puede realizar directamente sobre la oblea sin depositar previamente
capa de cromo (6) alguna.
Claims (13)
1. Dispositivo (1) electroluminiscente
caracterizado porque comprende:
- -
- un sustrato (2) que comprende una oblea de rugosidad superficial menor de 5 nm sobre la que se encuentra depositada una película de oro (8), y
- -
- una capa (4) de esferas (3) dieléctricas del mismo diámetro, que define la emisión lumínica del dispositivo (1) , que comprenden unos emisores de luz (7) que se encuentra depositada sobre la película de oro (8) del sustrato (2).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque la oblea es de un material que se
selecciona de entre: silicio, vidrio y óxido de silicio.
3. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque las esferas (3) son poliméricas.
4. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque la capa (4) tiene un espesor de una
esfera (3).
5. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque los emisores de luz (7) están formados
por al menos un colorante (5) orgánico distribuido de forma uniforme
por toda la esfera (3).
6. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque los emisores de luz (7) se encuentran
distribuidos de forma uniforme por toda la esfera (3) y se
seleccionan de entre: puntos cuánticos y centros N-V
(vacante de nitrógeno) en diamante.
7. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque el sustrato (2) adicionalmente comprende
una capa de cromo (6) que se encuentra ubicada entre la oblea y la
película de oro (8).
8. Dispositivo (1) según reivindicación 7
caracterizado porque la capa de cromo (6) tiene 2 nm de
espesor.
9. Procedimiento de fabricación del dispositivo
(1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8
caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- -
- sintetizar unas esferas (3) dieléctricas con emisores de luz (7) en su interior mediante polimerización en emulsión,
- -
- disolver las esferas (3) en una solución acuosa,
- -
- sumergir un substrato (2) que comprende una oblea en la solución acuosa de las esferas (3),
- -
- introducir el substrato (2) sumergido en la solución acuosa de esferas (3) en un horno, y
- -
- elevar la temperatura para evaporar un disolvente de la solución acuosa y así depositar una capa (4) de esferas (3).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento según reivindicación 9
caracterizado porque la temperatura del horno se establece
alrededor de 50ºC.
11. Procedimiento según reivindicación 9 ó 10
caracterizado porque se lleva a cabo a condición de humedad
del 20%.
12. Procedimiento según reivindicación 9
caracterizado porque adicionalmente comprende depositar una
película de oro (8) sobre la oblea del substrato (2).
13. Procedimiento según reivindicación 9
caracterizado porque adicionalmente comprende depositar:
- -
- una capa de cromo (6) sobre la oblea, y
- -
- una película de oro (8) sobre dicha capa de cromo (6).
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES201030547A ES2368287B1 (es) | 2010-04-15 | 2010-04-15 | Dispositivo electroluminiscente y procedimiento de fabricación del mismo. |
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| ES201030547A ES2368287B1 (es) | 2010-04-15 | 2010-04-15 | Dispositivo electroluminiscente y procedimiento de fabricación del mismo. |
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|---|---|
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| ES201030547A Expired - Fee Related ES2368287B1 (es) | 2010-04-15 | 2010-04-15 | Dispositivo electroluminiscente y procedimiento de fabricación del mismo. |
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|---|---|
| ES (1) | ES2368287B1 (es) |
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- 2010-04-15 ES ES201030547A patent/ES2368287B1/es not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Astratov, V.N., et al., Optical coupling and transport phenomena in chains of spherical dielectric microresonators with size disorder, Applied Physics Letters, 2004, Vol.85, págs. 5508-55510. Pág.5508. * |
| Cole, R. M., et al., Easily Coupled Whispering Gallery Plasmons in Dielectric Nanospheres Embedded in Gold Films, Physical Review Letters, 2006, Vol.97, 137401. Resumen. * |
| Kedia, S., et al., Effect of Photonic Stop Band on the Emission of Rhodamine Dye, Kiran, 2009, vol.20, págs.48-52. Resumen. * |
| Oulton, R.F., et al., Plasmon lasers at deep subwavelength scale, Nature, 2009, Vol.461, págs.629-632. Fig.1. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2368287B1 (es) | 2012-09-21 |
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