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Engineering

Développement d’OLED efficaces à partir du dépôt de solution

Published: November 4, 2022 doi: 10.3791/61071
Automatic Translation
1,2, 1
1Department of Physics and i3N, Institute for Nanostructures, Nanomodulation and Nanofabrication, University of Aveiro, 2CeNTI, Centre for Nanotechnologies and Smart Materials

Summary

Un protocole pour la fabrication de diodes électroluminescentes organiques efficaces, simples, déposées en solution, à faible roll-off.

Abstract

L’utilisation d’émetteurs organiques hautement efficaces basés sur le concept de fluorescence retardée activée thermiquement (TADF) est intéressante en raison de leur efficacité quantique interne à 100%. Présenté ici est une méthode de dépôt en solution pour la fabrication de diodes électroluminescentes organiques (OLED) efficaces basées sur un émetteur TADF dans une structure de dispositif simple. Ce processus rapide, peu coûteux et efficace peut être utilisé pour toutes les couches émissives OLED qui suivent le concept hôte-invité. Les étapes fondamentales sont décrites ainsi que les informations nécessaires pour une reproduction ultérieure. L’objectif est d’établir un protocole général facilement adaptable pour les principaux émetteurs organiques actuellement à l’étude et au développement.

Introduction

L’augmentation de l’électronique organique utilisée dans la vie quotidienne est devenue une réalité inégalée. Parmi plusieurs applications électroniques organiques, les OLED sont peut-être les plus attrayantes. Leur qualité d’image, leur résolution et leur pureté des couleurs ont fait des OLED un choix primordial pour les écrans. De plus, la possibilité d’obtenir une émission de grande surface dans des OLED extrêmement minces, flexibles, légères et faciles à accorder aux couleurs a des applications dans l’éclairage. Cependant, certains problèmes technologiques associés au processus de fabrication dans les grands émetteurs ont retardé l’application ultérieure.

Avec le premier OLED fonctionnant à basse tension appliquée1, de nouveaux paradigmes pour l’éclairage à semi-conducteurs ont été conçus, mais avec une faible efficacité quantique externe (EEQ). L’EEQ OLED est obtenu par le rapport des photons émis (lumière) aux supports électriques injectés (courant électrique). Une estimation théorique simple de l’EEQ maximale attendue est égale à ηsur x ηint 2. L’efficacité interne (ηint) peut être approchée par ηint = γ x x Equation 1 Φ PL, où γ correspond au facteur d’équilibre de charge, ΦPL est le rendement quantique de photoluminescence (PLQY), et Equation 1 est l’efficacité de la génération d’excitons émissifs (paires de trous d’électrons). Enfin, ηest l’efficacité de couplage2. Si l’outcouplage n’est pas envisagé, l’attention se concentre sur trois sujets: (1) l’efficacité du matériau dans la création d’excitons qui se recombinent radiativement, (2) l’efficacité des couches émissives et (3) l’efficacité de la structure de l’appareil dans la promotion d’un système électrique bien équilibré3.

Un émetteur organique purement fluorescent n’a qu’une efficacité quantique interne (IQE) de 25%. Selon les règles de spin, la transition radiative d’un triplet à un singulet (T→S) est interdite4. Par conséquent, 75% des transporteurs électriques excités ne contribuent pas à l’émission de photons5. Ce problème a d’abord été surmonté en utilisant des métaux de transition dans les OLED 6,7,8,9,10 phosphorescence des émetteurs organiques, où l’IQE serait proche de 100%11,12,13,14,15,16 . Cela est dû au couplage spin-orbite entre le composé organique et le métal de transition lourd. L’inconvénient de ces émetteurs est leur coût élevé et leur faible stabilité. Récemment, des rapports sur la synthèse chimique d’un composé organique pur avec une séparation de basse énergie entre les états triplet excité et singulet (∆EST) par Adachi17,18 ont donné lieu à un nouveau cadre. Bien qu’il ne s’agisse pas d’un nouveau19, l’utilisation réussie du procédé TADF dans les OLED a permis d’obtenir des rendements élevés sans utiliser de complexes de métaux de transition.

Dans de tels émetteurs organiques sans métal, il y a une forte probabilité que les porteurs excités dans un état triplet se peuplent à l’état singulet; par conséquent, l’IQE peut atteindre une limite théorique de 100%5,20,21,22. Ces matériaux TADF fournissent des excitons qui peuvent se recombiner radiativement. Cependant, ces émetteurs nécessitent une dispersion dans un hôte matriciel pour éviter l’extinction des émissions 3,20,21,23,24 dans un concept hôte-invité. De plus, son efficacité dépend de la façon dont l’hôte (matrice organique) est approprié au matériau invité (TADF)25. En outre, il est nécessaire d’idéaliser la structure du dispositif (c.-à-d. couches minces, matériaux et épaisseur) pour obtenir un dispositif électriquement équilibré (équilibre entre les trous et les électrons pour éviter les pertes)26. La réalisation du meilleur système hôte-invité pour un dispositif électriquement équilibré est fondamentale pour augmenter l’EEQ. Dans les systèmes basés sur TADF, ce n’est pas simple, en raison des changements dans les mobilités des porteurs électriques dans EML qui ne sont pas facilement réglés.

Avec les émetteurs TADF, les valeurs EQE supérieures à 20% sont faciles à obtenir26,27,28,29. Cependant, la structure du dispositif est généralement composée de trois à cinq couches organiques (couches de transport/blocage de trous et de transport/blocage d’électrons, HTL/HBL et ETL/EBL, respectivement). De plus, il est fabriqué à l’aide d’un procédé d’évaporation thermique coûteux, technologiquement complexe et presque uniquement pour les applications d’affichage. En fonction des niveaux HOMO (orbitale moléculaire occupée la plus élevée) et LUMO (orbitale moléculaire inoccupée la plus basse), de la mobilité électrique des porteurs et de l’épaisseur, chaque couche peut injecter, transporter et bloquer les porteurs électriques et garantir la recombinaison dans la couche émissive (EML).

La réduction de la complexité de l’appareil (p. ex., une structure simple à deux couches) entraîne généralement une diminution notable de l’EEQ, parfois à moins de 5 %. Cela se produit en raison de la mobilité différente des électrons et des trous dans la LME, et le dispositif devient électriquement déséquilibré. Ainsi, au lieu de l’efficacité élevée de la création d’excitons, l’efficacité de l’émission dans la LME devient faible. De plus, un roulis notable se produit avec une forte diminution de l’EEQ à mesure que la luminosité augmente, en raison de la forte concentration d’excitons à une tension appliquée élevée et de longues durées de vie excitées 24,30,31. Surmonter de tels problèmes nécessite une forte capacité à manipuler les propriétés électriques de la couche émissive. Pour une architecture OLED simple utilisant des méthodes de dépôt de solution, les propriétés électriques de la LME peuvent être réglées par les paramètres de préparation et de dépôt de la solution32.

Des méthodes de dépôt en solution pour les dispositifs organiques ont déjà été utilisées31. La fabrication OLED, par rapport au processus d’évaporation thermique, présente un grand intérêt en raison de leur structure simplifiée, de leur faible coût et de leur production à grande surface. Avec un grand succès dans les complexes de métaux de transition OLED, l’objectif principal est d’augmenter la zone émettrice tout en gardant la structure de l’appareil aussi simple que possible33. Des méthodes telles que le rouleau à rouleau (R2R)34,35,36, l’impression à jet d’encre37,38,39 et la matrice à fente 40 ont été appliquées avec succès dans la fabrication multicouche d’OLED, ce qui constitue une approche industrielle possible.

Bien que les méthodes de dépôt en solution pour les couches organiques constituent un bon choix pour la simplification de l’architecture des dispositifs, tous les matériaux souhaités ne peuvent pas être facilement déposés. Deux types de matériaux sont utilisés : les petites molécules et les polymères. Dans les méthodes de dépôt en solution, les petites molécules présentent certains inconvénients, tels qu’une mauvaise uniformité, cristallisation et stabilité des couches minces. Ainsi, les polymères sont principalement utilisés en raison de leur capacité à former des films minces uniformes avec une faible rugosité de surface et sur de grands substrats flexibles. De plus, les matériaux doivent avoir une bonne solubilité dans le solvant approprié (principalement des solvants organiques comme le chloroforme, le chlorobenzène, le dichlorobenzène, etc.), l’eau ou les dérivés de l’alcool.

Outre le problème de solubilité, il est nécessaire de garantir qu’un solvant utilisé dans une couche ne doit pas agir comme un solvant pour la couche précédente. Cela permet une structure multicouche déposée par le processus humide; Cependant, il y a des limites41. La structure de dispositif la plus typique utilise des couches déposées en solution (c’est-à-dire l’émissive) et une couche évaporée thermiquement (ETL). De plus, l’homogénéité et la morphologie des couches minces dépendent fortement des méthodes et des paramètres de dépôt. Le transport de charge électrique à travers ces couches est entièrement régi par une telle morphologie. Néanmoins, un compromis entre le dispositif final souhaité et les compatibilités du procédé de fabrication doit être judicieusement établi. L’ajustement des paramètres de dépôt est la clé du succès, même s’il s’agit d’un travail fastidieux. Par exemple, le revêtement par centrifugation n’est pas une technique simple. Bien que cela semble simple, il existe plusieurs aspects de la formation de couches minces à partir d’une solution sur un substrat en rotation qui nécessitent une attention particulière.

Outre l’optimisation de l’épaisseur du film, la manipulation de la vitesse de rotation et le temps (l’épaisseur est une décroissance exponentielle des deux paramètres), les actions de l’expérimentateur doivent également être ajustées pour obtenir de bons résultats. Les paramètres corrects dépendent également de la viscosité de la solution, de la zone de dépôt et de l’angle de mouillabilité / contact de la solution sur le substrat. Il n’existe pas d’ensembles uniques de paramètres. Seules les hypothèses de base avec des ajustements spécifiques à la solution/substrat donnent les résultats souhaités. De plus, les propriétés électriques qui dépendent de la conformation moléculaire et de la morphologie de la couche peuvent être optimisées pour obtenir les résultats souhaités, en suivant le protocole décrit ici. Une fois terminé, le processus est simple et réalisable.

Néanmoins, la diminution de la complexité de la structure du dispositif entraîne une diminution maximale de l’EEQ; Cependant, un compromis peut être atteint en termes d’efficacité par rapport à la luminosité. Comme un tel compromis permet des applications pratiques, le surplus d’un processus simple, compatible avec les grandes surfaces et à faible coût peut devenir une réalité. Cet article décrit ces exigences et explique comment développer une recette pour gérer les problèmes requis.

Le protocole se concentre sur un émetteur vert de TADF 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole]42 en tant qu’invité dans une matrice hôte composée de PVK [poly(N-vinylcarbazole)] et OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzène], qui correspond à la LME. Une couche de transport d’électrons (ETL) de TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphényl)benzène] est utilisée. Les fonctions de travail de l’anode et de la cathode sont optimisées. L’anode est composée d’ITO (oxyde d’indium-étain) avec un polymère hautement conducteur PEDOT:PSS [poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrènesulfonate)], et la cathode est composée d’une double couche d’aluminium et de LiF (fluorure de lithium).

Enfin, le PEDOT:PSS et l’EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) sont déposés par spin coating, tandis que TmPyPb, LiF et Al sont évaporés thermiquement. Compte tenu de la nature métallique conductrice de PEDOT:PSS, le dispositif est une « couche organique à deux niveaux » typique dans la structure la plus simple possible. Dans la LME, l’invité TADF (10% en poids) est dispersé dans l’hôte (90% en poids) composé de PVK0,6 + OXD-70,4.

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Protocol

ATTENTION: Les étapes suivantes impliquent l’utilisation de différents solvants et matières organiques, il faut donc prendre soin lors de la manipulation. Utilisez la hotte et l’équipement de protection comme les lunettes de laboratoire, les masques faciaux, les gants et les sarraus de laboratoire. Le pesage des matériaux doit être effectué avec précision à l’aide d’une machine à bascule de haute précision. Pour assurer la propreté des substrats, le dépôt en solution de films minces et l’évaporation, il est recommandé d’effectuer toutes les procédures dans un environnement contrôlé ou une boîte à gants. Avant l’utilisation d’un spin-coater, de micropipettes, d’évaporateurs thermiques, de matières organiques et de solvants, toutes les fiches de données de sécurité doivent être consultées.

1. Préparation de la solution hôte-invité

  1. Dans deux petits flacons (volume compris entre 4 et 6 mL, nettoyés à l’isopropanol et séchés à l’azote), peser la matrice hôte composée de 12 mg de PVK et de 8 mg d’OXD-7. Commencez par peser l’OXD-7. Compenser tout écart de poids à l’aide de PVK pour obtenir un rapport final de 6:4 (PVK:OXD-7). Dans le deuxième flacon, peser 10 mg d’émetteur 2PXZ-OXD TADF.
  2. Ajouter 2 mL de chlorobenzène dans le flacon avec matrice hôte et 1 mL dans le flacon avec le matériau TADF. Si le poids des flacons n’est pas exactement celui décrit ci-dessus, ajuster le volume de chlorobenzène dans les deux flacons pour obtenir une solution à concentration finale de 10 mg/mL.
  3. Laisser les solutions agitées avec de petites barres d’agitation magnétiques nettoyées pendant au moins 3 heures pour assurer la dissolution complète des matériaux. Assurez-vous que les flacons sont recouverts en toute sécurité avec les bouchons respectifs et hermétiquement scellés avec un film chimique organique sans danger pour éviter toute évaporation des solvants.

2. Nettoyage du substrat

REMARQUE: Pour manipuler les substrats, utilisez une pince à épiler, en ne touchant que dans un coin (ne touchez jamais le milieu des substrats). Les substrats utilisés ici ont six pixels ITO pré-motifs (Figure 1A).

  1. Procurez-vous des substrats ITO pré-modelés. Nettoyez les substrats dans un bain à ultrasons contenant une solution d’Hellmanex à 1 % v/v dans de l’eau, de l’acétone et du 2-propanol (IPA), séquentiellement, pendant 15 minutes dans chaque bain. Effectuer le premier bain à environ 95 °C et le reste à température ambiante (RT). Enfin, sécher les substrats en utilisant un flux d’azote pour éliminer tout résidu de solvant de nettoyage.
  2. Avant la fabrication, exposer les substrats (film ITO orienté vers le haut) au traitement à l’ozone UV pendant 5 min. Extraire soigneusement les gaz et s’assurer que la face à motifs ITO est exposée aux UV. Ici, utilisez un nettoyant à l’ozone (100 W, 40 kHz). Réglez la longueur d’onde d’émission des lampes UV sur 185 nm et 254 nm avec une lampe à décharge de vapeur de mercure à haute intensité et basse pression.

3. Revêtement d’essorage

C’est l’étape la plus importante de ce protocole. Pour assurer l’uniformité, l’homogénéité et l’absence de trous d’épingle dans les films minces, tous les solvants doivent être filtrés avec leurs papiers filtres respectifs. L’élimination complète de l’excès de solvants des substrats doit être assurée afin d’éviter tout court-circuit dans le dispositif final. Pour les substrats utilisés ici, l’élimination des matériaux en excès de l’ITO à motifs et de la cathode est également importante pour fixer le pixel final, et cela doit être effectué avec une grande précision, sans perturber la zone active du pixel. Les étapes décrites ci-dessous doivent être suivies pour le revêtement par centrifugation des films minces. L’épaisseur finale du film mince variera si vous utilisez un enrobage différent de celui utilisé ici.

  1. Préparez l’équipement d’essorage.
    NOTE: Avant d’utiliser le spin coater, il est nécessaire de faire un étalonnage de courbe avec les paramètres de dépôt et l’épaisseur finale obtenus pour les films. Cela devrait être fait pour chaque solution employée. La procédure consiste à effectuer plusieurs dépôts pour la même solution mais avec des paramètres différents, et l’épaisseur finale est mesurée avec un profilomètre. La figure 2 montre une courbe d’étalonnage typique pour une couche active.
  2. Déposez PEDOT:PSS comme première couche au-dessus de l’ITO. Filtrer le PEDOT:PSS avec un filtre au fluorure de polyvinylidène (PVDF) de 0,45 μm. Remplir une micropipette avec 100 μL de PEDOT:PSS.
  3. Placez délicatement le substrat sur le mandrin d’enrobage et activez le système de vide pour fixer le substrat (Figure 1B,C). Faites pivoter l’ITO face vers le haut et ajustez-le pour centrer la zone du substrat autant que possible. Réglez les paramètres du revêtement par centrifugation à 5 000 tr/min pendant 30 s. Définissez un pas initial à l’aide de l’enrobage de ~2–3 s à faible rotation (200–500 tr/min). Une épaisseur de 30 nm est attendue.
  4. En maintenant la micropipette perpendiculaire au substrat (Figure 1D), déposer la solution (100 μL) au milieu du substrat (Figure 1D) et démarrer l’enrobage (Figure 1E).
    REMARQUE: Ne pas laisser tomber la solution trop rapidement ou trop lentement pour éviter le risque de propagation non homogène de la solution (selon la viscosité, l’angle de contact peut être non idéal). Habituellement, laisser tomber la solution en ~1 s est idéal. Ne touchez pas le substrat avec la micropipette et essayez de synchroniser entre le démarrage de l’enrobage et la chute de la solution. Si un réglage de dépôt en deux étapes (comme expliqué à l’étape 3.3) n’est pas disponible, envisager un dépôt statique : laissez d’abord tomber la solution, puis démarrez l’enrobage d’essorage immédiatement après. La chute de la solution doit être faite avec soin. Toutes les solutions doivent être déposées au centre de l’axe de rotation et former un point uniforme pour éviter les non-uniformités pendant le processus. Sachez que, bien que ces règles soient idéales pour un bon dépôt de film, la technique de revêtement par centrifugation est difficile à optimiser (c.-à-d. nécessite plusieurs étapes de préoptimisation). De plus, cela dépend de la viscosité de la solution, de la zone de dépôt souhaitée, de la façon dont la solution tombe sur le substrat et du début de la filature. Un exemple de bonne formation de film à l’échelle microscopique peut être vu à la figure 3 sous la forme d’une image AFM.
  5. Terminez l’étape de l’enrobage (Figure 1F). Éteignez l’aspirateur et, à l’aide d’une pince à épiler, retirez le substrat. À l’aide d’un petit coton-tige imbibé d’eau (c.-à-d. le solvant PEDOT:PSS; Figure 1G), retirez le film déposé en excès autour de la cathode et des coins du substrat, en gardant intacte la zone pixellisée centrale.
  6. Maintenir le substrat dans une étuve ou sur une plaque chauffante à 120 °C pendant 15 min pour éliminer le solvant PEDOT:PSS (eau). Retirer du four ou de la plaque chauffante, passer à une boîte à gants et laisser refroidir à TA (Figure 1H).
  7. Préparez la solution pour la LME. Dans un nouveau flacon propre (voir étape 1.1), préparer à l’aide d’une micropipette une nouvelle solution composée de 1,8 mL de solution hôte et de 0,2 mL de solution TADF. Avant d’utiliser la solution, filtrez-la avec un filtre PTFE de 0,1 μm.
  8. Laisser la nouvelle solution agiter pendant 15 min à TA.
  9. Après les étapes 3.3 à 3.5, effectuez le dépôt de cette deuxième solution dans un enrobage dans la boîte à gants. Rotation à 2 000 tr/min pendant 60 s. L’épaisseur de film prévue doit être de 50 nm. Pour éliminer tout excès du deuxième film, utilisez des cotons-tiges imbibés de chlorobenzène.
  10. Laisser les substrats sur une plaque chauffante à l’intérieur de la boîte à gants à 70 °C pendant 30 min pour éliminer complètement l’excès de chlorobenzène.
  11. Retirer les substrats de la plaque chauffante et laisser refroidir à TA.
  12. Pour des précautions supplémentaires, envisager des essais de température/temps (indirectement, taux d’évaporation) pour différents solvants. La morphologie du film final dépend fortement de ces paramètres. Un simple test AFM peut être utile pour confirmer que le taux d’évaporation du solvant est adéquat. La structure finale des couches minces déposées doit être plus ou moins similaire au schéma de la figure 1I.

4. Évaporation des matériaux

REMARQUE: Pour une meilleure évaporation, le vide minimum requis est généralement une pression inférieure à 5 x 10-5 mbar. Pour toutes les matières organiques, le taux d’évaporation doit être maintenu en dessous de 2 Å/s afin de réduire la rugosité et l’uniformité des couches. Pour le LiF, le taux d’évaporation doit être inférieur à 0,2 Å/s. Le non-respect de cette règle peut entraîner des émissions non uniformes. Si ce n’est pas déjà fait, programmez le système de capteur piézoélectrique (qui mesure l’épaisseur de dépôt et le taux d’évaporation) avec les paramètres requis, tels que 1) la densité du matériau, 2) le facteur Z: un couplage acoustique du matériau au capteur et 3) le facteur d’outillage: étalonnage géométrique du creuset d’évaporation par rapport au porte-échantillon. Avant d’utiliser l’évaporateur, reportez-vous aux spécifications de l’équipement pour savoir comment effectuer de tels étalonnages et consultez la fiche technique des matériaux pour connaître les valeurs de densité et de facteur Z pour un matériau spécifique. Une fois programmées, et sans aucun changement de géométrie de la chambre d’évaporation (facteur d’outillage), les données peuvent être stockées pour une utilisation ultérieure avec les mêmes matériaux.

  1. Insérez les substrats (films face vers le bas et après l’étape 3.11) dans le porte-échantillon à l’aide du masque d’évaporation souhaité (Figure 4A).
  2. Inclure les creusets nécessaires (la géométrie dépend du système d’évaporateur spécifique) et remplir chacun avec les matériaux nécessaires (LiF, TmPyPb et Al). Une explication détaillée du processus d’évaporation thermique dans le développement des OLED peut être trouvée dans la littérature43 et est discutée plus en détail dans ce rapport.
  3. Placez le support de substrat avec les échantillons dans le porte-échantillon de l’évaporateur (Figure 4B). Fermez la chambre et pompez la chambre de l’évaporateur. Suivez les instructions correspondantes pour le système d’évaporateur.
  4. Évaporer un film de TmPyPb d’une épaisseur de 40 nm. Évaporer 2 nm de LiF et 100 nm d’Al, séquentiellement. Pour l’évaporation, suivre la procédure publiée43.
    REMARQUE : La structure finale est représentée à la figure 4C. Dans le travail actuel, les périphériques ne sont pas encapsulés. Pour les expériences à long terme, l’encapsulation doit être effectuée, ce qui n’est pas l’objectif ici.

5. Caractérisation de l’instrument

REMARQUE: Pour caractériser le dispositif final, utilisez un voltmètre, un luminancemètre et un spectromètre très sensibles. S’il existe une sphère intégratrice, utilisez-la. Sinon, placez le luminancemètre perpendiculairement à l’émission de surface OLED à une distance indiquée par le fabricant et dépendant de la lentille de mise au point. Si vous n’utilisez pas de sphère d’intégration, on peut supposer que l’émission du dispositif OLED suit un profil lambertien pour le calcul de l’efficacité. Ici, la luminosité tracée ne correspond pas à celle mesurée sous une sphère intégratrice (ainsi, elle sera au moins π fois inférieure).

  1. Insérez le dispositif OLED fabriqué dans le support de test et établissez les contacts électriques pour le pixel souhaité. Mesurez le courant (I), la tension appliquée (V) et la luminosité (L). Les détails complets sur la configuration expérimentale ont été expliqués précédemment43.
  2. Avec un spectromètre, mesurer les spectres d’électroluminescence (EL) à différentes tensions appliquées dans une plage correspondant à la plage dynamique du fonctionnement OLED44. Prenez au moins trois ou quatre spectres. Ici, les tensions appliquées de 5 V, 10 V et 15 V sont utilisées.
  3. À l’aide du logiciel nécessaire, calculez la densité de courant (J), l’efficacité du courant (μc candela/ampère), l’efficacité énergétique (ηp, lumen/watt) et l’efficacité externe (EEQ). Avec les spectres d’électroluminescence, déterminez les coordonnées de couleur CIE. Des informations appropriées sur la façon de calculer tous ces chiffres de mérite ont été décrites précédemment44.
  4. Tracez les données indiquées. Effectuer une analyse critique des résultats en termes d’efficacité et de luminosité. Voir les spectres d’électroluminescence et tenter d’établir un modèle pour comprendre les résultats.

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Representative Results

La figure 5 montre les principaux résultats pour le dispositif fabriqué. La tension d’allumage était extrêmement faible (~3 V), ce qui est un résultat intéressant pour un appareil à deux couches organiques. La luminosité maximale était d’environ 8 000 cd/m2 sans utiliser de sphère intégratrice. Les valeurs maximales pour ηc, ηp et EQE étaient d’environ 16 cd/A, 10 lm/W et 8 %, respectivement. Bien que les résultats ne soient pas les meilleurs chiffres de mérites pour cet émetteur TADF, ils ont été les meilleurs trouvés dans une structure de dispositif aussi simple utilisant cet émetteur via la méthode du processus de solution.

Une EQE maximale de 14,9 % a été signalée dans une OLED évaporée thermiquement à cinq couches pour le même émetteur42. Il est important de noter que l’EEQ a montré un comportement de roll-off relativement faible (près de 7,5% pour L = 100 cd/m 2 et ~6% pour L = 1000 cd/m2), et que ces valeurs de roll-off sont les meilleures obtenues pour cet émetteur TADFspécifique 42. Cela signifie que le concept utilisé pour moduler les propriétés électriques de la LME à l’aide du dépôt en solution semble être effectivement valide. Une certaine dégradation a été observée pour les tensions appliquées supérieures à 15 V, ce qui correspond à la rupture bien connue des liaisons chimiques due à une densité élevée de porteurs électriques.

L’explication de ces résultats est intéressante. En suivant les concepts et l’analyse décrits dans l’introduction, un dispositif électriquement équilibré et efficace a été obtenu, malgré la structure simple. Avec la composition dans la LME, la modulation de la mobilité électrique a été calculée pour obtenir un profil porteur adéquat à la meilleure recombinaison d’excitons possible. Deux dispositifs simples de type n ou p seulement ont été préparés selon une procédure publiée45, et les mobilités pour la couche active étaient μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 et μp = 4,76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

Avec le dépôt en solution, un dispositif simple à équilibrage électrique peut être obtenu, car les propriétés électriques de la LME peuvent être modulées à partir de réglages et de réglages corrects des paramètres de dépôt. Selon les émetteurs à tester, ce concept peut être facilement adapté pour le développement ultérieur d’OLED traitées en solution.

Figure 1
Figure 1 : schéma du protocole. Les substrats à motifs utilisés avec les bandes ITO. Dans chaque substrat, six OLED avec des zones individuelles de 4 mm2 ont été produites. Un schéma simple du processus de dépôt utilisant la technique de spin coater est montré. La zone principale du film déposé montre les régions à nettoyer pour permettre aux contacts électriques d’être positionnés avec précision lors de l’évaporation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Courbe d’étalonnage typique du spin coater. Dans ce cas, et pour la couche active, un temps fixe de 60 s est utilisé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Image AFM d’un film mince de 50 nm PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10 % poids) provenant d’une solution de chlorobenzène. Le film a été déposé à l’aide d’un revêtement par centrifugation tel que décrit dans le protocole. La valeur RMS n’est que de 0,309 nm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Schéma d’évaporation. (A) Masque d’évaporation ajusté sur les films déposés. Habituellement, ils sont préconçus pour des supports spécifiques. (B) Schéma de la chambre d’évaporation avec différents creusets. Le type, le nombre et l’emplacement dépendent de l’équipement spécifique. Les capteurs pour les mesures d’épaisseur sont placés près des creusets. Sur le dessus, le porte-échantillon accueille le support de substrat avec des masques. (C) Schémas finaux (et photographie typique) de l’OLED produite. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5
Figure 5: Principales figures de mérite des OLED vertes produites. (A) La densité de courant habituelle (J), la tension appliquée (V) et la luminosité (L). (B) Efficacité du courant et de l’énergie en fonction de la densité du courant. C) L’EEQ en fonction de la luminosité pour évaluer le roll-off. (D) Les spectres d’électroluminescence à 10 V (y compris l’image des OLED). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

Le protocole utilisé ici pour fabriquer une OLED efficace dans une structure de périphérique simple est relativement simple. La mobilité électrique n’est pas seulement modulée par la composition matérielle d’une couche d’appareil, mais dépend également de manière critique de la morphologie du film. La préparation des solutions et un choix approprié du solvant et de la concentration sont importants. Aucune agrégation de matériaux ne peut se produire, ce qui implique une solubilité complète à l’échelle nanométrique. Il est également important d’observer la viscosité de la solution. Une viscosité élevée conduit à un angle de contact élevé de la solution sur le substrat, et l’inverse est également possible. Dans les deux cas, un film non homogène peut être formé par spin coating. De plus, il faut éviter de commencer la rotation de l’enrobage avant de laisser tomber la solution. Enfin, un système automatique de dépôt de la solution dans le spin coater est une option, ce qui est avantageux pour un bon dépôt de couches minces. Sinon, il est nécessaire de garantir que la micropipette reste aussi perpendiculaire que possible (liée au substrat) lors de la chute de la solution. De plus, il doit être retiré immédiatement lorsque toute solution est lâchée pour éviter les petites gouttes supplémentaires lorsque l’enrobage d’essorage démarre.

Comme mentionné dans l’introduction, tous les matériaux ne peuvent pas être facilement déposés en utilisant le processus de solution. Heureusement, la plupart des appareils peuvent être fabriqués à l’aide du protocole décrit ici. Une amélioration supplémentaire des chiffres de mérite peut être réalisée, ce qui dépend fortement d’une bonne formation de film (même à l’échelle de l’empilement moléculaire). Les propriétés électriques globales en dépendent. Outre la simplicité de la méthode, la reproductibilité absolue du dispositif utilisant des méthodes de revêtement par centrifugation est due à près de 50% en raison d’une erreur humaine. En outre, il ne peut pas être utilisé pour les substrats de grande surface.

Enfin, toutes les étapes décrites dans le protocole peuvent être considérées comme le cadre commun pour la production d’OLED stables, efficaces et simples. Compte tenu de la tendance vers l’électronique imprimée, ce travail est d’une importance majeure pour les applications futures.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier le projet « EXCILIGHT » du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklodowska-Curie n° 674990. Ce travail a également été développé dans le cadre du projet i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, financé par des fonds nationaux à travers le FCT/MEC.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2PXZ-OXD (2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole) Lumtec ltd 1447998-13-1
Aluminum (99.999%) Alfa Aesar 7429-90-5
Acetone (99.9%) Sigma Aldrich 67-64-1
Hellmanex Ossila 7778-53-2
Isopropyl alcohol Sigma Aldrich 67-63-0
ITO patterned substrates Ossila 65997-17-3
Lithium Fluoride (99.99%) Sigma Aldrich 7789-24-4
OXD-7 (1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene) Ossila 138372-67-5
PEDOT: PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate) Ossila 155090-83-8
PVK (Polyvinlycarbazole) (average Mn 25,000-50,000) Sigma Aldrich 25067-59-8
TmPyPb (1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzene) Ossila 138372-67-5

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References

  1. Tang, C. W., VanSlyke, S. A. Organic electroluminescent diodes. Applied Physics Letters. 51 (12), 913-915 (1987).
  2. Pereira, D. D. S., Monkman, A. P. Methods of Analysis of Organic Light Emitting Diodes. Display and Imaging. 2, 323-337 (2017).
  3. Kumar, M., Ribeiro, M., Pereira, L. New Generation of High Efficient OLED Using Thermally Activated Delayed Fluorescent Materials. Light-Emitting Diode-An Outlook On the Empirical Features and Its Recent Technological Advancements. , IntechOpen. (2018).
  4. Baldo, M. A., et al. Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices. Nature. 395 (6698), 151 (1998).
  5. Uoyama, H., Goushi, K., Shizu, K., Nomura, H., Adachi, C. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence. Nature. 492 (7428), 234 (2012).
  6. Baldo, M., Lamansky, S., Burrows, P., Thompson, M., Forrest, S. Very high-efficiency green organic light-emitting devices based on electrophosphorescence. Applied Physics Letters. 75 (1), 4-6 (1999).
  7. Adachi, C., Baldo, M. A., Thompson, M. E., Forrest, S. R. Nearly 100% internal phosphorescence efficiency in an organic light-emitting device. Journal of Applied Physics. 90 (10), 5048-5051 (2001).
  8. Tsuzuki, T., Nakayama, Y., Nakamura, J., Iwata, T., Tokito, S. Efficient organic light-emitting devices using an iridium complex as a phosphorescent host and a platinum complex as a red phosphorescent guest. Applied Physics Letters. 88 (24), 243511 (2006).
  9. Kwong, R. C., et al. Efficient, saturated red organic light emitting devices based on phosphorescent platinum (II) porphyrins. Chemistry of Materials. 11 (12), 3709-3713 (1999).
  10. Kalinowski, J., Fattori, V., Cocchi, M., Williams, J. G. Light-emitting devices based on organometallic platinum complexes as emitters. Coordination Chemistry Reviews. 255 (21-22), 2401-2425 (2011).
  11. Tanaka, D., et al. Ultra high efficiency green organic light-emitting devices. Japanese Journal of Applied Physics. 46 (1), 10 (2006).
  12. Sun, Y., et al. Management of singlet and triplet excitons for efficient white organic light-emitting devices. Nature. 440 (7086), 908 (2006).
  13. Reineke, S., et al. White organic light-emitting diodes with fluorescent tube efficiency. Nature. 459 (7244), 234 (2009).
  14. Helander, M., et al. Chlorinated indium tin oxide electrodes with high work function for organic device compatibility. Science. 332 (6032), 944-947 (2011).
  15. Tao, Y., et al. Multifunctional Triphenylamine/Oxadiazole Hybrid as Host and Exciton-Blocking Material: High Efficiency Green Phosphorescent OLEDs Using Easily Available and Common Materials. Advanced Functional Materials. 20 (17), 2923-2929 (2010).
  16. Lee, C. W., Lee, J. Y. Above 30% external quantum efficiency in blue phosphorescent organic light-emitting diodes using pyrido [2, 3-b] indole derivatives as host materials. Advanced Materials. 25 (38), 5450-5454 (2013).
  17. Endo, A., et al. Efficient up-conversion of triplet excitons into a singlet state and its application for organic light emitting diodes. Applied Physics Letters. 98 (8), 42 (2011).
  18. Endo, A., et al. Thermally activated delayed fluorescence from Sn4+–porphyrin complexes and their application to organic light emitting diodes-A novel mechanism for electroluminescence. Advanced Materials. 21 (47), 4802-4806 (2009).
  19. Baleizão, C., Berberan-Santos, M. N. Thermally activated delayed fluorescence as a cycling process between excited singlet and triplet states: Application to the fullerenes. The Journal of Chemical Physics. 126 (20), 204510 (2007).
  20. Dias, F. B., et al. Triplet harvesting with 100% efficiency by way of thermally activated delayed fluorescence in charge transfer OLED emitters. Advanced Materials. 25 (27), 3707-3714 (2013).
  21. Dias, F. B., Penfold, T. J., Monkman, A. P. Photophysics of thermally activated delayed fluorescence molecules. Methods and Applications in Fluorescence. 5 (1), 012001 (2015).
  22. Yersin, H. Highly efficient OLEDs: Materials based on thermally activated delayed fluorescence. , Wiley-VCH. (2018).
  23. dos Santos, P. L., Ward, J. S., Bryce, M. R., Monkman, A. P. Using guest-host interactions to optimize the efficiency of TADF Oleds. The Journal of Physical Chemistry Letters. 7 (17), 3341-3346 (2016).
  24. Kumar, M., Pereira, L. Effect of the Host on Deep-Blue Organic Light-Emitting Diodes Based on a TADF Emitter for Roll-Off Suppressing. Nanomaterials. 9 (9), 1307 (2019).
  25. Méhes, G., Goushi, K., Potscavage, W. J., Adachi, C. Influence of host matrix on thermally-activated delayed fluorescence: Effects on emission lifetime, photoluminescence quantum yield, and device performance. Organic Electronics. 15 (9), 2027-2037 (2014).
  26. Yang, Z., et al. Recent advances in organic thermally activated delayed fluorescence materials. Chemical Society Reviews. 46 (3), 915 (2017).
  27. Wong, M. Y., Zysman-Colman, E. Purely organic thermally activated delayed fluorescence materials for organic light-emitting diodes. Advanced Materials. 29 (22), 1605444 (2017).
  28. Tsai, K. W., Hung, M. K., Mao, Y. H., Chen, S. A. Solution-Processed Thermally Activated Delayed Fluorescent OLED with High EQE as 31% Using High Triplet Energy Crosslinkable Hole Transport Materials. Advanced Functional Materials. , 1901025 (2019).
  29. Lin, T. A., et al. Sky-blue organic light emitting diode with 37% external quantum efficiency using thermally activated delayed fluorescence from spiroacridine-triazine hybrid. Advanced Materials. 28 (32), 6976-6983 (2016).
  30. Cho, Y. J., Yook, K. S., Lee, J. Y. High efficiency in a solution-processed thermally activated delayed-fluorescence device using a delayed-fluorescence emitting material with improved solubility. Advanced Materials. 26 (38), 6642-6646 (2014).
  31. Huang, T., Jiang, W., Duan, L. Recent progress in solution processable TADF materials for organic light-emitting diodes. Journal of Materials Chemistry C. 6 (21), 5577-5596 (2018).
  32. Kumar, M., Pereira, L. Towards Highly Efficient TADF Yellow-Red OLEDs Fabricated by Solution Deposition Methods: Critical Influence of the Active Layer Morphology. Nanomaterials. 10 (1), 101 (2020).
  33. Cai, M., et al. High-efficiency solution-processed small molecule electrophosphorescent organic light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (31), 3590-3596 (2011).
  34. Amruth, C., Szymański, M. Z., Łuszczyńska, B., Ulański, J. Inkjet printing of super Yellow: Ink Formulation, Film optimization, oLeDs Fabrication, and transient electroluminescence. Scientific Reports. 9 (1), 1-10 (2019).
  35. Abbel, R., et al. Toward high volume solution based roll-to-roll processing of OLEDs. Journal of Materials Research. 32 (12), 2219-2229 (2017).
  36. Hast, J., et al. 18.1: Invited Paper: Roll-to-Roll Manufacturing of Printed OLEDs, SID Symposium Digest of Technical Papers. Wiley Online Library. , 192-195 (2013).
  37. Chang, S. C., et al. Multicolor organic light-emitting diodes processed by hybrid inkjet printing. Advanced Materials. 11 (9), 734-737 (1999).
  38. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
  39. Villani, F., et al. Inkjet printed polymer layer on flexible substrate for OLED applications. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (30), 13398-13402 (2009).
  40. Choi, K. -J., Lee, J. -Y., Shin, D. -K., Park, J. Investigation on slot-die coating of hybrid material structure for OLED lightings. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 95, 119-128 (2016).
  41. Geffroy, B., Le Roy, P., Prat, C. Organic light-emitting diode (OLED) technology: materials, devices and display technologies. Polymer International. 55 (6), 572-582 (2006).
  42. Lee, J., et al. Oxadiazole-and triazole-based highly-efficient thermally activated delayed fluorescence emitters for organic light-emitting diodes. Journal of Materials Chemistry C. 1 (30), 4599-4604 (2013).
  43. Monkman, A., Data, P. Production and Characterization of Vacuum Deposited Organic Light Emitting Diodes. Journal of Visualized Experiments. (141), (2018).
  44. Pereira, L. F. Organic light emitting diodes: The use of rare earth and transition metals. , Pan Stanford. (2012).
  45. Kumar, M., Pereira, L. Mixed-Host Systems with a Simple Device Structure for Efficient Solution-Processed Organic Light-Emitting Diodes of a Red-Orange TADF Emitter. ACS Omega. 5 (5), 2196-2204 (2020).

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Ingénierie numéro 189 OLED dispositifs déposés en solution chiffres de mérite roll-off ingénierie électronique organique fluorescence retardée activée thermiquement structure de dispositif peu complexe processus de fabrication OLED simple
Développement d’OLED efficaces à partir du dépôt de solution
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Kumar, M., Pereira, L. Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition. J. Vis. Exp. (189), e61071, doi:10.3791/61071 (2022).

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