The work presented in this thesis was submitted to The University of Manchester for the degree of Doctor of Philosophy in June 2010 by Stuart K Stubbs and is entitled “Photo-physics and applications of colloidal quantum dots”. In this thesis the results of spectroscopic studies on various colloidal quantum dots, particularly related to the measurement and characterisation of multiple exciton generation are presented. Research conducted with Nanoco Technologies Ltd. that involved the design and development of hybrid quantum dot organic light emitting diodes for use in flat panel display technology is also presented. Cadmium selenide (CdSe), indium phosphide (InP), and lead sulphide (PbS) type I and cadmium selenide/cadmium telluride type II colloidal quantum dots were characterised using steady state photoluminescence and absorption spectroscopy. The fluorescence lifetimes of the decay of single excitons was measured in these quantum dots using time correlated single photon counting. An ultrafast transient absorption spectrometer was designed, built, and used to observe the picosecond dynamics of the decay of multiexcitons. These absorption transients were analysed in order to extract the quantum efficiency of producing multiple excitons per absorbed photon. The characteristic signature for multiple exciton generation was first found in CdSe using a time correlated single photon counting set-up. Results from the transient absorption spectrometer demonstrated efficient multiple exciton generation in InP for the first time as well as in PbS, where the efficiency was found to agree with values obtained by other research groups. The absorption transients taken for the type II CdSe/CdTe type II quantum dots demonstrated some novel decay dynamics that could not be attributed to the generation of multiple excitons. Quantum dot organic light emitting diodes were fabricated using Nanoco Technologies high quality cadmium based quantum dots and were shown to demonstrate bright, colour saturated emission originating from the quantum dot layer only. Using quantum dots of different sizes and structures red, green and blue devices were made and shown to be appropriate both in terms of brightness and chromaticity for the use as the red, green and blue pixels of a flat panel display. Because heavy metals like cadmium are restricted or banned from commercial products in many countries, Nanoco Technologies heavy metal free quantum dots, made from InP, were also incorporated in devices. Devices are demonstrated that emit from the quantum dot layer only, albeit at a lower luminance and efficiency than that found in the cadmium containing devices. This was the first demonstration of a heavy metal free, hybrid quantum dot organic light emitting diode.

<p>High precision magnetic levitation control methodologies during the manufacture of Organic light-emitting diode (OLED) displays are designed, manipulated, and experimentally validated in this thesis. OLED displays have many advantages over conventional display technologies including thinner, lighter, lower power consumption, higher resolutions, and greater brightness. However, OLED displays require tighter environmental conditions of the manufacturing processes without the introduction of vibration and contamination. For this reason, magnetic levitation is used to transport the displays attached on the carrier during the manufacturing process. This thesis addresses several critical problems related to implement the levitation control performance of the carrier's motion during the manufacturing process. </p> <p>Attractive magnetic levitation requires measurement of the airgap between the carrier and the levitation electromagnets. An algorithm for modeling the gap sensor installation errors was developed and subsequently used for controller development. A levitation controller only was initiated as the stationary point for optimal state feedback controller-observer compensator developed in this study. This optimal state feedback controller-observer compensator allows the carrier to be passed from support fixtures without the introduction of vibration. This controller was designed, and its levitation control performance confirmed with both simulation and experimental validation. To implement the levitation control performance of the carrier's motion, a second order notch filter and a first order low pass filter are designed to minimize the mechanical resonance and noise from the gap sensor, respectively. To reduce the sudden change of the levitation forces owing to the discrete allocation of the levitation electromagnets, a section control algorithm is developed; the sum of the levitation forces is equal to the weight of the carrier and the sum of the moment along the propulsion axis is equal to zero. </p> <p>Using the developed control strategies, the peak to peak variation of the carrier’s motion at a standstill was 50 µm. This same motion at low-speed 30 mm/s was 250 µm. While at high speed 300 mm/s was 430 µm. The relative improvement in the levitation control performance of optimal state feedback controller-observer compensator over the levitation controller only was a peak to peak attenuation of 50 µm at low-speed and 270 µm at high-speed. Most significantly while using optimal state feedback controller-observer compensator could be passed from support fixture to support fixture, i.e., through the deadzone, without mechanical contact or other manufacturing processes, inhibiting vibration. </p> <p>Having comparative simulation and experimental validation, the proposed control strategies were validated to improve the levitation control performance of the carrier under uncertain disturbance and sensor installation error, and it is expected to manufacture OLED displays with high productivity and low defect rate.</p>

There are sumarized some of the basic organic materials for produce of organic parts. Two types of theese materials are introduced PPV and PFV and their derivatives, which tuning their resulting properties in area of electrical, optical, chemical, and thermal parameters. There is designed and created system for mechanical bending of adhesive SMD devies on flexible printed circuit board and compared properties of some conducting adhesives.

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Metallic nanostructures possess the ability to support resonances in the visible wavelength regime which are related to localized surface plasmons. These create highly enhanced electric fields in the immediate vicinity of metal surfaces. Nanoparticles with dipolar resonance also radiate efficiently into the far-field and hence serve as antennas for light. Such optical antennas have been explored during the last two decades, however, mainly as standalone units illuminated by external laser beams and more recently as electrically driven point sources, yet merely with basic antenna properties. This work advances the state of the art of locally driven optical antenna systems. As a first instance, the electric driving scheme including inelastic electron tunneling over a nanometer gap is merged with Yagi-Uda theory. The resulting antenna system consists of a suitably wired feed antenna, incorporating a tunnel junction, as well as several nearby parasitic elements whose geometry is optimized using analytical and numerical methods. Experimental evidence of unprecedented directionality of light emission from a nanoantenna is provided. Parallels in the performance between radiofrequency and optical Yagi-Uda arrays are drawn. Secondly, a pair of electrically connected antennas with dissimilar resonances is harnessed as electrodes in an organic light emitting nanodiode prototype. The organic material zinc phthalocyanine, exhibiting asymmetric injection barriers for electrons and holes, in conjunction with the electrode resonances, allows switching and controlling the emitted peak wavelength and directionality as the polarity of the applied voltage is inverted. In a final study, the near-field based transmission-line driving of rod antenna systems is thoroughly explored. Perfect impedance matching, corresponding to zero back-reflection, is achieved when the antenna acts as a generalized coherent perfect absorber at a specific frequency. It thus collects all guided, surface-plasmon mediated input power and transduces it to other nonradiative and radiative dissipation channels. The coherent interplay of losses and interference effects turns out to be of paramount importance for this delicate scenario, which is systematically obtained for various antenna resonances. By means of the here developed semi-analytical toolbox, even more complex nanorod chains, supporting topologically nontrivial localized edge states, are studied. The results presented in this work facilitate the design of complex locally driven antenna systems for optical wireless on-chip communication, subwavelength pixels, and loss-compensated integrated plasmonic nanocircuitry which extends to the realm of topological plasmonics. / Metallische Nanostrukturen besitzen die Fähigkeit, Resonanzen im sichtbaren Wellenlängenbereich zu unterstützen, die mit lokalisierten Oberflächenplasmonen in Verbindung stehen. Diese erzeugen hochverstärkte elektrische Felder in der unmittelbaren Nähe von Metalloberflächen. Nanopartikel mit dipolarer Resonanz strahlen zudem effizient in das Fernfeld ab und dienen somit als Antennen für Licht. Solche optischen Antennen wurden in den letzten zwei Jahrzehnten erforscht, allerdings hauptsächlich als eigenständige Einheiten, welche von externen Laserstrahlen angeregt werden, und in jüngerer Zeit als elektrisch getriebene Punktquellen, die jedoch lediglich über grundlegende Antenneneigenschaften verfügen. Diese Arbeit erweitert den aktuellen Stand von lokal getriebenen optischen Antennensystemen. In einem ersten Fallbeispiel wird das elektrische Antriebsschema einschließlich inelastischem Elektronentunneln über einen Nanometer-Spalt mit der Yagi-Uda-Theorie zusammengeführt. Das resultierende Antennensystem besteht aus einer passend verdrahteten, gespeisten Antenne, die einen Tunnelübergang enthält, sowie mehreren nahe gelegenen parasitären Elementen, deren Geometrie mit analytischen und numerischen Methoden optimiert wird. Experimentelle Befunde für eine ungeahnte Direktionalität der Lichtemission von einer Nanoantenne werden erbracht. Es werden Parallelen im Leistungsverhalten zwischen Radiofrequenz- und optischen Yagi-Uda-Anordnungen gezogen. Als zweites wird ein Paar elektrisch kontaktierter Antennen mit unterschiedlichen Resonanzen als Elektroden in einem Prototyp einer organischen lichtemittierenden nanoskaligen Diode eingesetzt. Das organische Material Zinkphthalocyanin, welches asymmetrische Injektionsbarrieren für Elektronen und Löcher aufweist, ermöglicht in Verbindung mit den Elektrodenresonanzen die Schaltbarkeit und Kontrolle der emittierten Wellenlänge und der Direktionalität bei Umkehr der Polarität der angelegten Spannung. In einer abschließenden Studie wird der nahfeldbasierte Antrieb von stäbchenförmigen Antennsystemen mittels eines Wellenleiters detailliert untersucht. Perfekte Impedanzanpassung, entsprechend einer verschwindenden Rückreflexion, wird erreicht, wenn die Antenne bei einer spezifischen Frequenz als verallgemeinerter kohärenter perfekter Absorber agiert. Hierbei nimmt sie die gesamte wellenleitergeführte Eingangsleistung, vermittelt durch ein Oberflächenplasmon, auf, und überträgt sie auf andere nichtstrahlende und strahlende Dissipationskanäle. Das kohärente Zusammenspiel von Verlusten und Interferenzeffekten erweist sich für dieses empfindliche Szenario, das systematisch für verschiedene Antennenmoden erzeugt wird, als äußerst wichtig. Mit Hilfe des hier entwickelten semi-analytischen Werkzeugsets werden auch komplexere Ketten aus Nanostäbchen untersucht, bei denen topologisch nichttriviale lokalisierte Randzustände auftreten. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erleichtern die Entwicklung komplexer lokal angetriebener Antennensysteme für optische drahtlose Kommunikation auf einem Computerchip, Subwellenlängenpixel und verlustkompensierte integrierte plasmonische Nanoschaltkreise, welche sich bis auf das Gebiet der topologischen Plasmonik erstrecken.

Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs) currently advance in the display market due to their unique image quality. Innovations profit from further extraordinary properties such as mechanical flexibility, optical transparency and large area coverage. Despite considerable progress in development, high costs and moderate efficiencies hamper the entry into the lighting market. However, there still is enormous potential for efficiency improvement. Current problems are the work-intensive search for best material combinations and large amounts of trapped light in the flat OLED geometry. This thesis develops novel concepts for improving the efficiency of OLEDs: An optimized fabrication, a systematic evaluation of light outcoupling structures by proposing a new metric, and an examination of efficiency limitations with optical simulations to identify options for action. The optimization of OLEDs is closely related to the properties of the individual molecules, while the fabrication process is often neglected. However, literature has shown that vapor deposited organic glasses can exhibit extraordinary high stabilities when fabricated at the right conditions. The substrate temperature is therefore set to 85 % of the materials conventional glass transition temperature Tg while the deposition rates are kept below < 0.1 nm/s. This concept is adapted and the glass forming molecule TPBi is fabricated as stable host and electron transporter in a simple OLED. Efficiency and lifetime improvement could be achieved with four different phosphorescent emitters. For Ir(ppy)2(acac) the External Quantum Efficiency (EQE) at 100 cd/m² is enhanced from 19.4 to 24.0 % and the lifetime LT 70 at 1,000 cd/m² from 14.8 to 74.2 h, i.e. the time in which the initial luminance drops to 70 % is five times higher. The origin is found in improved radiative and electrical efficiency. This fabrication concept enables an additional optimization path besides material development. Next, the high refractive index of organic materials lead to light confinement through total internal reflection. Many light outcoupling strategies have been developed, but their direct comparison is difficult through the diversity of used structures and OLEDs. This thesis proposes a new efficiency metric, the Efficiency of Light Outcoupling Structures (ELOS), that states the effectiveness of a light outcoupling structure. It weights experimental efficiency enhancement to theoretically maximal gain that is simulated. It was found that a glass half-sphere extracts about 80 % photons from the OLED substrate, while a combination of a diffraction grating with the half-sphere extracts at best 43 % from the whole OLED. The corresponding EQEs are 32.5 % and 36.5 %. The ELOS promotes a systematic search for a universally efficient light outcoupling structures, because it removes misinterpretation through the specifically used OLED. Lastly, optical investigations have found the following statements for bottom-emitting OLEDs: Highest EQEs with external light outcoupling structures are reached for 3/4 λ cavities. EQEs of more than 90 % could be reached with a low refractive index electron transport layer in combination with a high refractive index substrate and ideal external light outcoupling. For top-emitting OLEDs, the thin film interference can be exploited to shift the emission color of sky-blue emitter towards blue. Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) color coordinates of (0.127/0.168) could experimentally be achieved with an emitter that has (0.213/0.374). The color tuning reduces EQE, but therefore exploits higher lifetimes of sky-blue emitters. This opens an alternative to reach deep blue emission besides material development, which is a current challenge for displays. / Organische Leuchtdioden (OLEDs) etablieren sich derzeit im Display-Markt aufgrund ihrer einzigartigen Bildqualität. Innovationen profitieren zudem von weiteren außergewöhnlichen Eigenschaften wie z.B. mechanische Flexibilität, optische Transparenz und Großflächigkeit. Obwohl es bereits beträchtliche Weiterentwicklungen gab, erschweren hohe Kosten und moderate Effizienzen den Markteintritt in den Beleuchtungssektor. Dabei gibt es noch enormes Potential für Effizienzsteigerungen. Derzeitige Probleme sind die aufwändige Suche nach den besten Material(-kombinationen) und große Verluste durch Licht, welches im flachen Bauteil verbleibt. In dieser Dissertation werden deshalb neuartige Konzepte entwickelt, um die Effizienzsteigerung voranzutreiben: Eine optimierte Herstellung, eine systematische Untersuchung von Lichtauskoppelstrukturen mittels einer neuen Metrik und die Untersuchung von Effizienzlimitierungen mithilfe von optischen Simulationen, um weitere Möglichkeiten zur Verbesserung zu identifizieren. Die Optimierung von OLEDs ist eng verbunden mit der Materialsuche, wobei der Herstellungsprozess oft vernachlässigt wird. Allerdings konnte in der Literatur gezeigt werden, dass aufgedampfte organische Gläser außergewöhnlich stabil sein können, wenn die Herstellungsbedingungen optimiert werden. Dafür muss die Substrattemperatur auf etwa 85 % der gewöhnlichen Glasübergangstemperatur Tg gesetzt werden, während das Material mit niedrigen Raten von < 0,1 nm/s aufgetragen wird. Dieses Konzept wird übernommen für das Glasformer Molekül TPBi, welches als stabile Matrix und Elektronentransporter in einer einfachen OLED realisiert wird. Damit wird eine Effizienz- und Lebensdauerverbessung für vier phosphoreszente Emittermoleküle erreicht. Für Ir(ppy)2(acac) wird die externe Quanteneffizienz (EQE) bei 100 cd/m² von 19,4 auf 24,0 % erhöht und die Lebensdauer LT 70 bei 1000 cd/m² von 14,8 auf 74,2 h, d.h. die Zeit, bis die ursprüngliche Helligkeit auf 70 % fällt, wird verfünffacht. Ursache dafür ist eine verbesserte elektrische Effizienz und Strahlungseffizienz. Diese Herstellungsoptimierung eröffnet neben der Materialsuche eine weitere Möglichkeit für OLED Verbesserungen. Weiterhin führt der hohe Brechungsindex organischer Materialien zu Lichteinschluss im Bauteil durch totale interne Reflexion. Um zusätzliches Licht zu extrahieren, wurden viele Lichtauskoppelstrukturen entwickelt, welche sich jedoch aufgrund der Vielfalt der Strukturen und OLEDs nur schwer vergleichen lassen. Diese Arbeit schlägt eine neue Effizienzgröße vor, die sogenannte Effizienz von Lichtauskoppelstrukturen (ELOS), welche die Effektivität von den Strukturen angibt. Sie vergleicht die experimentell bestimmte mit der maximal erwartbaren Verbesserung, welche mit optischen Simulationen berechnet wird. Damit konnte gezeigt werden, dass eine Glashalbkugel etwa 80 % aller Photonen vom OLED Substrat extrahiert, während eine Kombination von Streugittern mit Glashalbkugel bestenfalls 43 % der verbleibenden Photonen in der gesamten OLED extrahiert. Die jeweiligen EQEs sind 32,5 % und 36,5 %. Die ELOS fördert eine systematische Suche nach den universell am besten funktionierenden Lichtauskoppelstrukturen, weil Missinterpretationen durch die jeweilig verwendeten OLEDs verringert werden. Letztendlich haben die optischen Untersuchungen folgende Aussagen für bottom emittierenden OLEDs gefunden: Die höchste EQE mit externen Lichtauskoppelstrukturen werden mit 3/4 λ Kavitäten erreicht. EQEs von mehr als 90 % könnten erreicht werden durch Kombination von niedrigbrechenden Elektronentransportschichten, hochbrechenden Substraten und idealen Lichtauskoppelstrukturen. Für top emittierende OLEDs kann Dünnschichtinterferenz ausgenutzt werden, um die Farbe von himmelblauen Emittern zu tiefblau zu verschieben. CIE Farbkoordinaten von (0.127/0.168) konnten experimentell erreicht werden mit einem Emitter von (0.213/0.374). Die Farbverschiebung verringert zwar die EQE, allerdings kann so die höhere Lebensdauer von himmelblauen Emittern ausgenutzt werden. Damit wird eine Alternative zur Materialsuche geschaffen, um tiefblaue Farbe zu erreichen, was eine derzeitige Herausforderung für Displays ist.

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