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Con la creciente modernización, la tasa de consumo de energía se ha desbordado, lo que ha obligado a la aparición de varias fuentes de eficiencia energética. Aunque a menudo no se realiza, la iluminación es uno de los principales campos que consumen energía. Según un informe publicado por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) en 2017,1. La iluminación consume entre el 15 y el 19% de la electricidad mundial 1,2 y emite alrededor del 5% de los gases de efecto invernadero en el mundo 1,3. Si este problema no se atiende, el consumo de electricidad para la iluminación se multiplicará por mucho para 2030 1,4, lo que tendrá un impacto significativo en el cambio climático debido al calentamiento global. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías de iluminación energéticamente eficientes5 es una inmensa promesa para un medio ambiente sostenible.
Los dispositivos de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) han hecho una revolución en el campo de la visualización y la iluminación, ofreciendo una calidad de visualización mejorada junto con una alta eficiencia energética 6,7. Aparte de esto, también ofrece la delgadez, flexibilidad, alto contraste y amplios ángulos de visión requeridos. Debido a todos estos beneficios, la utilidad de los materiales OLED está aumentando gradualmente en diversas aplicaciones, incluidos teléfonos inteligentes, televisores, dispositivos portátiles y sistemas de iluminación automotriz8. Los OLED utilizan compuestos orgánicos como capas emisivas y emiten luz sobre la recombinación radiativa de huecos y electrones 9,10,11. El desarrollo de dispositivos OLED ha avanzado a través de tres generaciones de materiales emisores12. El primero son los materiales fluorescentes, que pueden cosechar solo los excitones singletes, lo que teóricamente conduce a la eficiencia cuántica interna (IQE) del 25%. Los OLED de segunda generación emplean emisores fosforescentes para acceder a todos los excitones singlete y triplete, debido al acoplamiento eficiente espín-órbita, todos los electrones tripletes también se pueden recolectar, lo que lleva a un 100% de IQE13,14. Sin embargo, estos complejos contienen metales pesados como el iridio (Ir) o el platino (Pt), que plantean preocupaciones ambientales y problemas de costos. A partir de entonces viene la tercera generación de OLED, que comprende emisores de fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF) 15,16,17,18,19.
Las moléculas TADF exhiben una pequeña brecha de energía entre los estados excitados triplete y singlete, lo que permite el cruce inverso entre sistemas (RISC) activado por energía térmica y logra un IQE teórico del 100%20. El diseño de una molécula TADF contiene la estrategia para unir un grupo donante y un grupo aceptor con o sin la ayuda de una unidad central. Un núcleo adecuado permite un acoplamiento electrónico eficiente entre los grupos donante y aceptor. Los grupos ricos en electrones (por ejemplo, carbazol, fenoxazina, fenotiazina, trifenilamina) se utilizan generalmente como donantes, mientras que los grupos deficientes en electrones (por ejemplo, triazina, oxadiazol, benzofenona o grupos ciano) funcionan como aceptores 21,22,23,24,25,26,27. Los emisores TADF poseen una pequeña brecha de energía singlete-triple (ΔEST), que ayuda a facilitar el cruce inverso entre sistemas (RISC)28. Aquí, en este trabajo, preparamos una molécula TADF de tipo D-A, que se utilizará además para fabricar un dispositivo OLED emisivo verde28.
Los OLED multicapa han avanzado significativamente la tecnología OLED al mejorar las métricas de rendimiento en comparación con los dispositivos de una sola capa. Un dispositivo OLED de varias capas contiene varias capas orgánicas, cada una de las cuales cumple alguna función específica 29,30. El rendimiento del dispositivo se puede adaptar alterando el material, el grosor y la concentración de cada capa. Los materiales de estas capas se eligen de acuerdo con su nivel de energía del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el orbital molecular desocupado más bajo (LUMO). Estas capas orgánicas permanecen intercaladas entre los dos electrodos (cátodo y ánodo). Una vez conectados al circuito, los electrones fluyen desde el HOMO de las moléculas emisivas hacia la fuente de voltaje a través del ánodo, creando un agujero. Mientras que la fuente de voltaje suministra electrones al LUMO de la molécula a través del cátodo. Estas cargas opuestas viajan a través del dispositivo y se recombinan en la capa emisiva, y la recombinación radiativa de los excitones emite fotones. Dependiendo de los materiales de la capa emisiva y su brecha de energía HOMO-LUMO, el color de emisión puede variar29. Se desea que la recombinación ocurra en la capa emisiva (EML); Para eso, se requiere una estructura de dispositivo optimizada. Si las capas y su grosor no se optimizan correctamente, la recombinación puede desplazarse, lo que resulta en un rendimiento deficiente del dispositivo.
La fabricación de dispositivos multicapa puede ser de dos tipos, ya sea por deposición térmica al vacío o procesamiento de solución. Aquí, en este artículo, se presenta un método detallado para la fabricación de dispositivos de un emisor TADF utilizando el método de procesamiento en solución (en el que se realiza un recubrimiento por rotación para las primeras tres capas, seguido de la deposición al vacío de las siguientes tres capas). El proceso de fabricación de dispositivos procesados en solución atrajo más atención debido a que es rentable, altamente escalable y ambientalmente sostenible. Además, el desperdicio de material es comparativamente menor que la evaporación térmica al vacío. El material procesado en solución se puede depositar a temperatura ambiente, lo que lo convierte en una opción adecuada, lo que permite la fabricación en sustratos flexibles y sensibles al calor. De hecho, para aquellas moléculas con baja estabilidad térmica, el dispositivo solo se puede fabricar mediante este método. Sin embargo, hay algunas cosas a considerar antes de la fabricación. Es necesario verificar la solubilidad del emisor, la estabilidad y la uniformidad de la película.
Aquí, preparamos una molécula TADF de tipo D-A, que se utilizará para fabricar un dispositivo OLED emisivo verde28. En primer lugar, se analiza la estrategia de síntesis para el emisor TADF 2BPy-oTC en pocas palabras; La discusión detallada ya se informó en el documento anterior de nuestro Grupo28. Además, el material sintetizado se purificó mediante cromatografía en columna y, para obtener material de alta pureza, se sublimó utilizando una configuración de sublimación de alto vacío con gradiente de temperatura. El paso de purificación es extremadamente necesario, ya que cualquier traza de impureza afectará el rendimiento del dispositivo. A continuación, para fabricar el dispositivo, se tomaron y limpiaron sustratos de vidrio con patrón de óxido de indio y estaño (ITO). La limpieza de los sustratos es muy importante31. Los sustratos recubiertos de ITO se limpiaron a fondo mediante sonicación con solución jabonosa, agua ultrapura y disolventes orgánicos, seguido de una limpieza con ozono. A continuación, la capa de inyección de orificios (HIL) se recubrió por rotación sobre el sustrato ITO (ánodo) y la capa polimérica de sulfonato de poliestireno (3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato (comúnmente conocido como PEDOT: PSS) se tomó como HIL. La capa de transporte de agujeros (HTL) se recubrió por rotación sobre HIL. Esta capa ayuda en la migración de los agujeros hacia la capa emisiva. Se utilizó poli(9-vinilcarbazol) (PVK), que tiene un nivel de energía HOMO similar al PEDOT: PSS, como HTL. Además, la capa emisiva (EML) estaba recubierta de espín sobre HTL. Para evitar la extinción de la concentración en la mayoría de los dispositivos basados en TADF, la molécula emisora se dispersa en una matriz huésped. En este estudio, se tomó el 10% en peso de 2BPy-oTC en el huésped N,N′-dicarbazolil-4,4′-bifenilo (CBP), que es un huésped bien conocido para el emisor verde 32,33,34. Luego, estos sustratos fabricados se cargaron en el evaporador térmico. La capa de transporte de electrones (ETL) y la capa de inyección de electrones (EIL) se depositaron por evaporación térmica. Esta evaporación térmica exige un control preciso de la tasa de deposición en un entorno de alto vacío. Se depositó 2,2′,2"-(1,3,5-bencinetilo)-tris(1-fenil-1 H-benzimidazol) (TPBi) como ETL, que ayuda a transferir los electrones de EIL a EML, y se utilizó 8-hidroxiquinolinolato-litio (Liq) como EIL, que inyecta los electrones en la arquitectura del dispositivo a través de un efecto de túnel. Finalmente, se depositaron 100 nm de aluminio con una máscara catódica. Por lo tanto, la estructura general del dispositivo es la siguiente: ITO/ PEDOT:PSS (30 nm)/ PVK (30 nm)/ 10% en peso 2BPy-oTCz en CBP (30 nm)/ TPBi (50 nm)/ Liq (2 nm)/ Al (100 nm).