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Avec la modernisation croissante, le taux de consommation d’énergie a débordé, ce qui a forcé l’émergence de plusieurs sources économes en énergie. Bien qu’il soit souvent inexploité, l’éclairage est l’un des principaux domaines consommateurs d’énergie. Selon un rapport publié par le Programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE) en 20171. L’éclairage consomme 15 à 19 % de l’électricité mondiale 1,2 et émet environ 5 % des gaz à effet de serre dans le monde 1,3. Si ce problème n’est pas résolu, la consommation d’électricité pour l’éclairage sera multipliée par 2030 1,4, ce qui aura un impact significatif sur le changement climatique dû au réchauffement de la planète. Ainsi, le développement de technologies d’éclairage économes en énergie5 est très prometteur pour un environnement durable.
Les dispositifs à diodes électroluminescentes organiques (OLED) ont révolutionné le domaine de l’affichage et de l’éclairage, offrant une meilleure qualité d’affichage ainsi qu’une efficacité énergétique élevée 6,7. En outre, il offre également la finesse, la flexibilité, le contraste élevé et les angles de vision larges requis. En raison de tous ces avantages, l’utilité des matériaux OLED augmente progressivement dans diverses applications, notamment les smartphones, les téléviseurs, les appareils portables et les systèmes d’éclairage automobile8. Les OLED utilisent des composés organiques comme couches émissives, et ils émettent de la lumière lors de la recombinaison radiative des trous et des électrons 9,10,11. Le développement des dispositifs OLED a progressé à travers trois générations de matériaux d’émetteur12. Le premier est constitué de matériaux fluorescents, qui ne peuvent récolter que les excitons singulets, ce qui conduit théoriquement à l’efficacité quantique interne (IQE) de 25 %. Les OLED de deuxième génération utilisent des émetteurs phosphorescents pour accéder à tous les excitons singulet et triplet, en raison du couplage spin-orbite efficace, tous les électrons triplets peuvent également être récoltés, ce qui conduit à 100 % IQE13,14. Cependant, ces complexes contiennent des métaux lourds comme l’iridium (Ir) ou le platine (Pt), ce qui soulève des préoccupations environnementales et des problèmes de coût. Vient ensuite la troisième génération d’OLED, comprenant les émetteurs de fluorescence retardée activées thermiquement (TADF) 15,16,17,18,19.
Les molécules TADF présentent un petit écart d’énergie entre les états excités triplet et singulet, permettant le croisement intersystème inverse (RISC) activé par l’énergie thermique et atteignant un IQE théorique de 100%20. La conception d’une molécule TADF repose sur la stratégie consistant à attacher un groupe donneur et un groupe accepteur avec ou sans l’aide d’une unité centrale. Un noyau approprié permet un couplage électronique efficace entre les groupes donneur et accepteur. Les groupes riches en électrons (par exemple, carbazole, phénoxazine, phénothiazine, triphénylamine) sont généralement utilisés comme donneurs, tandis que les groupes déficients en électrons (par exemple, les groupes triazine, oxadiazole, benzophénone ou cyano) fonctionnent comme des accepteurs 21,22,23,24,25,26,27. Les émetteurs TADF possèdent un petit écart d’énergie singulet-triple (ΔEST), ce qui facilite le croisement intersystème inverse (RISC)28. Ici, dans ce travail, nous préparons une molécule TADF de type D-A, qui sera ensuite utilisée pour fabriquer un dispositif OLED émissif vert28.
Les OLED multicouches ont considérablement fait progresser la technologie OLED en améliorant les mesures de performance par rapport aux appareils monocouches. Un dispositif OLED multicouche contient plusieurs couches organiques, chacune d’entre elles remplissant une fonction spécifique 29,30. Les performances de l’appareil peuvent être adaptées en modifiant le matériau, l’épaisseur et la concentration de chaque couche. Les matériaux de ces couches sont choisis en fonction de leur niveau d’énergie de l’orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) et de l’orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO). Ces couches organiques restent prises en sandwich entre les deux électrodes (cathode et anode). Une fois connectés au circuit, les électrons circulent de l’HOMO des molécules émissives vers la source de tension à travers l’anode, créant un trou. Alors que la source de tension fournit des électrons au LUMO de la molécule à travers la cathode. Ces charges opposées traversent le dispositif et se recombinent dans la couche émissive, et la recombinaison radiative des excitons émet des photons. En fonction des matériaux de la couche émissive et de leur écart d’énergie HOMO-LUMO, la couleur d’émission peut varierde 29. Il est souhaitable que la recombinaison se produise dans la couche émissive (EML) ; Pour cela, une structure d’appareil optimisée est nécessaire. Si les couches et leur épaisseur ne sont pas correctement optimisées, la recombinaison peut être décalée, ce qui entraîne de mauvaises performances du dispositif.
La fabrication de dispositifs multicouches peut être de deux types, soit par dépôt thermique sous vide, soit par traitement en solution. Ici, dans cet article, une méthode détaillée est présentée pour la fabrication d’un émetteur TADF à l’aide de la méthode traitée en solution (dans laquelle un revêtement par centrifugation est réalisé pour les trois premières couches, suivi du dépôt sous vide des trois couches suivantes). Le processus de fabrication du dispositif traité par la solution a attiré plus d’attention en raison de sa rentabilité, de sa grande évolutivité et de sa durabilité environnementale. De plus, le gaspillage de matériau est comparativement inférieur à l’évaporation thermique sous vide. Le matériau traité en solution peut être déposé à température ambiante, ce qui en fait un choix approprié, permettant la fabrication sur des substrats souples et sensibles à la chaleur. En fait, pour les molécules à faible stabilité thermique, le dispositif ne peut être fabriqué que par cette méthode. Cependant, il y a quelques éléments à prendre en compte avant la fabrication. La solubilité de l’émetteur, la stabilité et l’uniformité du film doivent être vérifiées.
Ici, nous avons préparé une molécule TADF de type D-A, qui sera ensuite utilisée pour fabriquer un dispositif OLED émissif vert28. Tout d’abord, la stratégie de synthèse de l’émetteur TADF 2BPy-oTC est discutée en quelques mots ; La discussion détaillée a déjà été rapportée dans le document précédent de notre groupe28. De plus, le matériau synthétisé a été purifié par chromatographie sur colonne, et pour obtenir un matériau de haute pureté, il a été sublimé à l’aide d’une configuration de sublimation à gradient de température sous vide poussé. L’étape de purification est extrêmement nécessaire, car toute trace d’impureté affectera les performances de l’appareil. Ensuite, pour la fabrication de l’appareil, des substrats de verre à motifs d’oxyde d’indium et d’étain (ITO) ont été prélevés et nettoyés. Le nettoyage des supports est très important31. Les substrats revêtus d’ITO ont été nettoyés en profondeur par sonication avec une solution savonneuse, de l’eau ultrapure et des solvants organiques, puis nettoyés à l’ozone. Ensuite, la couche d’injection de trous (HIL) a été enduite par centrifugation sur le substrat ITO (anode), et la couche polymère de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) polystyrène sulfonate (communément appelée PEDOT : PSS) a été prise comme HIL. La couche de transport de trous (HTL) a été revêtue par centrifugation sur le dessus de HIL. Cette couche aide à la migration des trous vers la couche émissive. Le poly(9-vinylcarbazole) (PVK), ayant un niveau d’énergie HOMO similaire à celui de PEDOT : PSS, a été utilisé comme HTL. De plus, la couche émissive (EML) a été recouverte d’un revêtement par centrifugation sur HTL. Pour éviter l’extinction de la concentration dans la plupart des dispositifs basés sur TADF, la molécule émettrice est dispersée dans une matrice hôte. Dans cette étude, 10 % en poids de 2BPy-oTC ont été prélevés dans l’hôte N,N'-dicarbazolyl-4,4′-biphényle (CBP), qui est un hôte bien connu pour l’émetteur vert 32,33,34. Ensuite, ces substrats fabriqués ont été chargés dans l’évaporateur thermique. La couche de transport d’électrons (ETL) et la couche d’injection d’électrons (EIL) ont été déposées par évaporation thermique. Cette évaporation thermique exige un contrôle précis du taux de dépôt dans un environnement de vide poussé. Le 2,2′,2"-(1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phényl-1 H-benzimidazole) (TPBi) a été déposé en tant qu’ETL, ce qui aide à transférer les électrons de l’EIL à l’EML, et le 8-hydroxyquinolinolato-lithium (Liq) a été utilisé en tant qu’EIL, qui injecte les électrons dans l’architecture du dispositif par effet tunnel. Enfin, 100 nm d’aluminium ont été déposés à l’aide d’un masque cathodique. Ainsi, la structure globale du dispositif est la suivante : ITO/ PEDOT :PSS (30 nm)/ PVK (30 nm)/ 10 wt % 2BPy-oTCz in CBP (30 nm)/ TPBi (50 nm)/ Liq (2 nm)/ Al (100 nm).