Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Utvikling av effektive OLED-er fra løsningsdeponering

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

Her presenteres en protokoll for fremstilling av effektive, enkle, løsningsavsatte organiske lysemitterende dioder med lav avrulling.

Abstract

Bruken av svært effektive organiske emittere basert på termisk aktivert forsinket fluorescens (TADF) -konseptet er interessant på grunn av deres 100% interne kvanteeffektivitet. Her presenteres en løsningsavsetningsmetode for fremstilling av effektive organiske lysemitterende dioder (OLED) basert på en TADF-emitter i en enkel enhetsstruktur. Denne raske, rimelige og effektive prosessen kan brukes for alle OLED-emissive lag som følger vert-gjest-konseptet. De grunnleggende trinnene er beskrevet sammen med nødvendig informasjon for videre reproduksjon. Målet er å etablere en generell protokoll som enkelt kan tilpasses de viktigste organiske emitterne som for tiden er under utredning og utvikling.

Introduction

Økningen i organisk elektronikk som brukes i dagliglivet har blitt en uovertruffen realitet. Blant flere organiske elektroniske applikasjoner er OLED kanskje den mest attraktive. Bildekvaliteten, oppløsningen og fargerenheten har gjort OLED-er til et primært valg for skjermer. Videre har muligheten til å oppnå stort områdeutslipp i ekstremt tynne, fleksible, lette og enkle fargejusterbare OLED-er applikasjoner innen belysning. Noen teknologiske problemer knyttet til fabrikasjonsprosessen i store områdeemittere har imidlertid utsatt videre anvendelse.

Med den første OLED som arbeider med lave påførte spenninger1, har nye paradigmer for solid state-belysning blitt designet, men med lav ekstern kvanteeffektivitet (EQE). OLED EQE oppnås ved forholdet mellom utsendte fotoner (lys) og injiserte elektriske bærere (elektrisk strøm). Et enkelt teoretisk estimat for maksimal forventet EQE er lik ηut x ηint 2. Den interne effektiviteten (ηint) kan tilnærmes med ηint  = γ x Equation 1 x Φ PL, hvor γ tilsvarer ladningsbalansefaktoren, ΦPL er fotoluminescenskvanteutbyttet (PLQY), og Equation 1 er effektiviteten av emissiv exciton (elektronhullspar) generasjon. Til slutt, ηut er utkoblingseffektiviteten2. Hvis utkobling ikke vurderes, er oppmerksomheten fokusert på tre emner: (1) hvor effektivt materialet er i å skape excitons som strålingsrekombinerer, (2) hvor effektive de emissive lagene er, og (3) hvor effektiv enhetsstrukturen er for å fremme et velbalansert elektrisk system3.

En rent fluorescerende organisk emitter har bare 25% intern kvanteeffektivitet (IQE). I henhold til spinnregler er strålingsovergangen fra en triplett til en singlet (T→S) forbudt4. Derfor bidrar 75% av eksiterte elektriske bærere ikke til utslipp av fotoner5. Dette problemet ble først overvunnet ved hjelp av overgangsmetaller i organisk emitterfosforescensOLED 6,7,8,9,10, hvor IQE angivelig var nær 100%11,12,13,14,15,16 . Dette skyldes spin-orbit-koblingen mellom den organiske forbindelsen og det tunge overgangsmetallet. Ulempen i slike emittere er deres høye kostnader og dårlig stabilitet. Nylig har rapporter om kjemisk syntese av en ren organisk forbindelse med lav energiseparasjon mellom de eksiterte triplett- og singlettilstandene (∆EST) av Adachi17,18 gitt opphav til et nytt rammeverk. Selv om det ikke er nytt19, har den vellykkede ansettelsen av TADF-prosessen i OLED-er gjort det mulig å oppnå høy effektivitet uten å bruke overgangsmetallkomplekser.

I slike metallfrie organiske emittere er det stor sannsynlighet for at de eksiterte bærerne i en trillingtilstand befolker til singlettilstanden; Derfor kan IQE oppnå en teoretisk grense på 100%5,20,21,22. Disse TADF-materialene gir excitons som kan radiativt rekombinere. Imidlertid krever disse emitterne spredning i en matrisevert for å unngå utslipp som slukker 3,20,21,23,24 i et vert-gjest-konsept. I tillegg avhenger effektiviteten av hvordan verten (organisk matrise) er bevilget til gjestematerialet (TADF)25. Det er også nødvendig å idealisere enhetsstrukturen (dvs. tynne lag, materialer og tykkelse) for å oppnå en elektrisk balansert enhet (likevekt mellom hull og elektroner for å unngå tap)26. Å oppnå det beste host-guest-systemet for en elektrisk balansert enhet er grunnleggende for å øke EQE. I TADF-baserte systemer er dette ikke enkelt, på grunn av endringene i de elektriske bæremobilitetene i EML som ikke er lett innstilt.

Med TADF-emittere er EQE-verdier større enn 20% enkle å oppnå26,27,28,29. Imidlertid består enhetsstrukturen vanligvis av tre til fem organiske lag (hulltransport / blokkering og elektrontransport / blokkeringslag, henholdsvis HTL / HBL og ETL / EBL). I tillegg er den produsert ved hjelp av en termisk fordampningsprosess som er høy i pris, teknologisk kompleks og nesten bare for visningsapplikasjoner. Avhengig av HOMO (høyeste okkuperte molekylorbital) og LUMO (laveste ubebodde molekylorbital) nivåer, elektrisk mobilitet av bærere og tykkelse, kan hvert lag injisere, transportere og blokkere elektriske bærere og garantere rekombinasjon i det emissive laget (EML).

Å redusere enhetens kompleksitet (f.eks. en enkel tolagsstruktur) resulterer vanligvis i en merkbar reduksjon av EQE, noen ganger til mindre enn 5%. Dette skjer på grunn av forskjellig elektron- og hullmobilitet i EML, og enheten blir elektrisk ubalansert. Således, i stedet for den høye effektiviteten av exciton etablering, effektiviteten av utslipp i EML blir lav. Videre skjer en merkbar avrulling med en sterk reduksjon av EQE etter hvert som lysstyrken øker, på grunn av den høye konsentrasjonen av excitoner ved høy påført spenning og lang eksitert levetid 24,30,31. Å overvinne slike problemer krever en sterk evne til å manipulere elektriske egenskaper til det emissive laget. For en enkel OLED-arkitektur ved hjelp av løsningsavsatte metoder, kan elektriske egenskaper til EML justeres av løsningsforberedelses- og avsetningsparametrene32.

Løsningsavsetningsmetoder for organiske enheter har tidligere blitt brukt31. OLED-fabrikasjon, sammenlignet med den termiske fordampningsprosessen, er av stor interesse på grunn av deres forenklede struktur, lave kostnader og produksjon av store områder. Med høy suksess i overgangsmetallkomplekser OLED, er hovedmålet å øke utslippsområdet, men holde enhetsstrukturen så enkel som mulig33. Metoder som roll-to-roll (R2R)34,35,36, blekkskrivere37,38,39 og slot-die 40 har blitt brukt med hell i flerlagsfabrikasjon av OLED, som er en mulig industriell tilnærming.

Til tross for løsningsavsetningsmetoder for organiske lag som fungerer som et godt valg for forenkling av enhetsarkitektur, kan ikke alle ønskede materialer enkelt deponeres. To typer materialer brukes: små molekyler og polymerer. I løsningsavsetningsmetoder har små molekyler noen ulemper, for eksempel dårlig tynnfilmuniformitet, krystallisering og stabilitet. Dermed brukes polymerer mest på grunn av evnen til å danne ensartede tynne filmer med lav overflateruhet og på store, fleksible underlag. Videre bør materialene ha god oppløselighet i riktig løsningsmiddel (hovedsakelig organiske som kloroform, klorbenzen, diklorbenzen, etc.), vann eller alkoholderivater.

Foruten problemet med oppløselighet, er det nødvendig å garantere at et løsningsmiddel som brukes i ett lag, ikke skal fungere som ett for det foregående laget. Dette tillater en flerlagsstruktur avsatt av den våte prosessen; det er imidlertid begrensninger41. Den mest typiske enhetsstrukturen bruker noen løsningsavsatte lag (dvs. den emissive) og et termisk fordampet lag (ETL). I tillegg er tynnfilmhomogenitet og morfologi sterkt avhengig av avsetningsmetodene og parametrene. Elektrisk ladningstransport gjennom disse lagene er fullstendig styrt av en slik morfologi. Ikke desto mindre bør en avveining mellom den ønskede endelige enheten og kompatibiliteten i fabrikasjonsprosessen etableres med omhu. Justering av avsetningsparametrene er en nøkkel til suksess, til tross for at det er tidkrevende arbeid. For eksempel er spinnbelegget ikke en enkel teknikk. Selv om det virker enkelt, er det flere aspekter ved tynnfilmdannelse fra en løsning på toppen av et spinnende substrat som krever oppmerksomhet.

I tillegg til optimalisering av filmtykkelse, manipulering av spinnhastighet og tid (tykkelse er et eksponentielt forfall av begge parametrene), må eksperimentørens handlinger også justeres for å oppnå gode resultater. Korrekte parametere avhenger også av løsningens viskositet, avsetningsområde og fuktbarhet/kontaktvinkel på oppløsningen på underlaget. Det er ingen unike sett med parametere. Kun grunnleggende forutsetninger med konkrete justeringer av løsningen/substratet gir ønskede resultater. Videre kan de elektriske egenskapene som avhenger av laget molekylær konformasjon og morfologi optimaliseres for ønskede resultater, etter protokollen beskrevet her. Når den er fullført, er prosessen enkel og gjennomførbar.

Likevel fører reduksjon av enhetens strukturkompleksitet til en maksimal EQE-reduksjon; Selv om et kompromiss kan oppnås når det gjelder effektivitet vs. lysstyrke. Ettersom et slikt kompromiss tillater praktiske anvendelser, kan overskuddet av en enkel, stor områdekompatibel og billig prosess bli en realitet. Denne artikkelen beskriver disse kravene og hvordan du utvikler en oppskrift for å håndtere de nødvendige problemene.

Protokollen fokuserer på en grønn TADF-emitter 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-fenoksazin-10-yl)fenyl)-1,3,4-oksadiazol]42 som gjest i en vertsmatrise sammensatt av PVK [poly(N-vinylkarbazol)] og OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylfenyl)-1,3,4-oksadiazo-5-yl]benzen], som tilsvarer EML. Et elektrontransportlag (ETL) av TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylfenyl)benzen] brukes. Både anodens og katodens arbeidsfunksjoner er optimalisert. Anoden består av ITO (indium tinnoksid) med en høy ledende polymer PEDOT: PSS [poly (3,4-etylendioksytiofen) -poly (styrenesulfonat)], og katoden består av et dobbeltlag av aluminium og LiF (litiumfluorid).

Til slutt avsettes både PEDOT: PSS og EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) ved spinnbelegg, mens TmPyPb, LiF og Al fordampes termisk. Med tanke på den ledende metalllignende naturen til PEDOT: PSS, er enheten et typisk "to organiske lag" i den enkleste strukturen som er mulig. I EML, TADF gjest (10% vekt) er spredt i verten (90% vekt) består av PVK0,6 + OXD-70,4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIKTIG: Følgende trinn innebærer bruk av forskjellige løsningsmidler og organiske materialer, så det må utvises riktig forsiktighet ved håndtering. Bruk avtrekksviften og verneutstyr som laboratoriebriller, ansiktsmasker, hansker og laboratoriefrakker. Veiing av materialene skal gjøres nøyaktig ved hjelp av en maskin med høy presisjon. For å sikre renslighet av underlagene, oppløsningsavsetning av tynne filmer og fordampning, anbefales det at alle prosedyrene utføres i et kontrollert miljø eller hanskerom. Før bruk av spinnbelegg, mikropipetter, termiske fordampere, organiske materialer og løsningsmidler, må alle sikkerhetsdatablad konsulteres.

1. Klargjøring av vert-gjest-løsning

  1. I to små hetteglass (volum mellom 4-6 ml, rengjort med isopropanol og tørket med nitrogen), veier vertsmatrise sammensatt av 12 mg PVK og 8 mg OXD-7. Begynn med å veie OXD-7. Kompenser eventuelle avvik i vekten ved bruk av PVK for å oppnå et endelig forhold på 6:4 (PVK:OXD-7). I det andre hetteglasset veier du 10 mg 2PXZ-OXD TADF emitter.
  2. Tilsett 2 ml klorbenzen i hetteglasset med vertsmatriks og 1 ml til hetteglasset med TADF-materiale. Hvis vekten av noen hetteglass ikke er nøyaktig verdiene beskrevet ovenfor, juster klorbenzenvolumet i begge hetteglassene for å oppnå en oppløsning med en endelig konsentrasjon på 10 mg/ml.
  3. La løsningene røre med små, rengjorte magnetiske rørstenger i minst 3 timer for å sikre fullstendig oppløsning av materialene. Forsikre deg om at hetteglassene er trygt dekket med respektive hetter og tett forseglet med organisk kjemisk sikker film for å unngå fordampning av løsningsmidler.

2. Rengjøring av underlag

MERK: For å håndtere underlagene, bruk en pinsett, berør bare i et hjørne (berør aldri midten av underlagene). Underlagene som brukes her har seks forhåndsmønstrede ITO-piksler (figur 1A).

  1. Få forhåndsmønstrede ITO-substrater. Rengjør substrater i et ultralydbad som inneholder 1% v / v Hellmanex-løsning i vann, aceton og 2-propanol (IPA), sekvensielt, i 15 minutter i hvert bad. Utfør det første badet ved ca. 95 °C og det resterende ved romtemperatur (RT). Til slutt tørker du substratene med nitrogenfluks for å fjerne eventuelle rengjøringsmiddelrester.
  2. Før fabrikasjon, utsett substratene (ITO-filmen vendt oppover) for UV-ozonbehandling i 5 minutter. Trekk forsiktig ut gassene og sørg for at det ITO-mønstrede ansiktet blir utsatt for UV. Her bruker du en ozonrenser (100 W, 40 kHz). Sett utslippsbølgelengden til UV-lampene til 185 nm og 254 nm med høy intensitet, lavt trykk, kvikksølvdamputladningslampe.

3. Spinn belegg

Dette er det viktigste trinnet i denne protokollen. For å sikre ensartethet, homogenitet og fravær av nålehull i de tynne filmene, må alle løsningsmidler filtreres med sine respektive filterpapir. Fullstendig fjerning av overflødige løsningsmidler fra underlag bør sikres for å unngå kort i den endelige enheten. For underlagene som brukes her, er fjerning av overflødige materialer fra den mønstrede ITO og katoden også viktig for å fikse den endelige pikselen, og den skal utføres med høy presisjon uten å forstyrre pikselens aktive område. Trinnene beskrevet nedenfor bør følges for spinnbelegging av de tynne filmene. Den endelige tykkelsen på den tynne filmen vil variere hvis du bruker en annen spinnbelegg enn den som brukes her.

  1. Forbered spinnbeleggutstyret.
    MERK: Før du bruker spinnbelegget, er det nødvendig å foreta en kurvekalibrering med avsetningsparametrene og den endelige tykkelsen som er oppnådd for filmene. Dette bør gjøres for hver løsning som brukes. Prosedyren innebærer å gjøre flere avsetninger for samme løsning, men med forskjellige parametere, og den endelige tykkelsen måles med et profilometer. Figur 2 viser en typisk kalibreringskurve for et aktivt lag.
  2. Sett inn PEDOT:PSS som det første laget på toppen av ITO. Filtrer PEDOT:PSS med et 0,45 μm polyvinylidenfluorid (PVDF)-filter. Fyll en mikropipet med 100 μL PEDOT:PSS.
  3. Plasser underlaget forsiktig på spin coater-chucken og aktiver vakuumsystemet for å fikse substratet (figur 1B,C). Roter ITO med forsiden opp og juster for å sentrere underlagsområdet så mye som mulig. Sett parametrene for spinnbelegget til 5,000 o / min i 30 s. Angi et innledende trinn med spinnbelegget på ~2–3 s ved lav rotasjon (200–500 o/min). En tykkelse på 30 nm forventes.
  4. Hold mikropipet vinkelrett på substratet (figur 1D), slipp oppløsningen (100 μL) midt på substratet (figur 1D) og start spinnbelegget (figur 1E).
    MERK: Ikke slipp oppløsningen for raskt eller sakte for å unngå risiko for ikke-homogen spredning av oppløsningen (avhengig av viskositeten kan kontaktvinkelen være ikke-ideell). Vanligvis er det ideelt å slippe løsningen i ~ 1 s. Ikke berør underlaget med mikropipetten, og prøv å synkronisere mellom å starte spinnbelegget og slippe løsningen. Hvis en totrinns deponeringsinnstilling (som forklart i trinn 3.3) ikke er tilgjengelig, bør du vurdere en statisk deponering: slipp løsningen først, og start deretter spinnbeleggeren umiddelbart etter. Slippe av løsningen bør gjøres nøye. Alle løsninger skal slippes i midten av rotasjonsaksen og danne et jevnt sted for å unngå avvik under prosessen. Vær oppmerksom på at selv om disse reglene er ideelle for god filmavsetning, er spinnbeleggteknikken vanskelig å optimalisere (dvs. krever flere forhåndsoptimaliseringstrinn). Videre avhenger det av løsningsviskositet, avsetning ønsket område, hvordan løsningen faller på underlaget og starten på spinning. Et eksempel på god filmdannelse i mikroskopisk skala kan ses i figur 3 som et AFM-bilde.
  5. Fullfør spinnbeleggingstrinnet (figur 1F). Slå av vakuumet, og fjern underlaget med en pinsett. Ved hjelp av små bomullspinner dynket i vann (dvs. PEDOT: PSS løsningsmiddel; Figur 1G), fjern overflødig avsatt film rundt katoden og hjørneområdene fra underlaget, og hold det sentrale pikselerte området uberørt.
  6. Oppbevar underlaget i en ovn eller på en kokeplate ved 120 °C i 15 minutter for å fjerne PEDOT:PSS-løsemiddelet (vann). Ta ut av ovnen eller kokeplaten, flytt til et hanskerom, og la det avkjøles til RT (figur 1H).
  7. Forbered løsningen for EML. I et nytt, rent hetteglass (se trinn 1.1), ved hjelp av en mikropipette, klargjør du en ny oppløsning bestående av 1,8 ml vertsoppløsning og 0,2 ml TADF-oppløsning. Før du bruker løsningen, filtrer den med et 0,1 μm PTFE-filter.
  8. La den nye løsningen røre i 15 minutter ved RT.
  9. Følg trinn 3.3–3.5, og deponer denne andre løsningen i en spinnbelegger i hanskerommet. Spinn ved 2,000 o / min i 60 s. Den forventede filmtykkelsen skal være 50 nm. For å fjerne overflødig av den andre filmen, bruk bomullsknopper gjennomvåt i klorbenzen.
  10. La underlagene ligge på en kokeplate inne i hanskerommet ved 70 °C i 30 minutter for å fjerne overflødig klorbenzen helt.
  11. Fjern underlagene fra kokeplaten og la avkjøles til RT.
  12. For ytterligere forholdsregler, vurder noen temperatur / tid (indirekte fordampningshastighet) tester for forskjellige løsningsmidler. Morfologien til den endelige filmen er sterkt avhengig av disse parametrene. En enkel AFM-test kan være nyttig for å bekrefte at løsningsmiddelfordampningshastigheten er tilstrekkelig. Den endelige strukturen til de deponerte tynne filmene skal være mer eller mindre lik ordningen i figur 1I.

4. Fordampning av materialer

MERK: For bedre fordampning er minimumsvakuumet som kreves vanligvis et trykk lavere enn 5 x 10-5 mbar. For alle organiske materialer bør fordampningshastigheten holdes under 2 Å/s for å redusere jevnheten og ensartetheten i lagene. For LiF skal fordampningshastigheten være mindre enn 0,2 Å/s. Unnlatelse av å overholde dette kan føre til ikke-ensartede utslipp. Hvis det ikke allerede er gjort, programmerer du det piezoelektriske sensorsystemet (som måler avsetningstykkelsen og fordampningshastigheten) med de nødvendige parametrene, for eksempel 1) materialtetthet, 2) Z-faktor: en akustisk kobling av materiale til sensoren, og 3) verktøyfaktor: geometrisk kalibrering av fordampningsdigelen vs. prøveholderen. Før du bruker fordamperen, se utstyrsspesifikasjonene for hvordan du utfører slike kalibreringer, og se materialdatabladet for tetthets- og Z-faktorverdiene for et bestemt materiale. Når de er programmert, og uten endring i fordampningskammergeometri (verktøyfaktor), kan dataene lagres for fremtidig bruk med de samme materialene.

  1. Sett substratene (filmene med forsiden ned og etter at trinn 3.11 er fullført) inn i prøveholderen med ønsket fordampningsmaske (figur 4A).
  2. Inkluder de nødvendige diglene (geometrien avhenger av det spesifikke fordampersystemet) og fyll hver med de nødvendige materialene (LiF, TmPyPb og Al). En detaljert forklaring av den termiske fordampningsprosessen i OLED-utviklingen finnes i litteraturen43 og diskuteres videre i denne rapporten.
  3. Plasser substratholderen med prøver i prøveholderen for fordamperen (figur 4B). Lukk kammeret og pump ned fordamperkammeret. Følg de respektive instruksjonene for fordampersystemet.
  4. Fordamp en film av TmPyPb med en tykkelse på 40 nm. Fordamp 2 nm LiF og 100 nm Al, sekvensielt. For fordampning, følg den publiserte prosedyren43.
    MERK: Den endelige strukturen er representert i figur 4C. I det nåværende arbeidet er enheter ikke innkapslet. For langsiktige eksperimenter bør innkapsling utføres, noe som ikke er fokus her.

5. Karakterisering av enheten

MERK: For å karakterisere den endelige enheten, bruk en svært følsom spenningsmåler, luminansmåler og spektrometer. Hvis det er en integrerende sfære, bruk den. Ellers plasserer du luminansmåleren vinkelrett på OLED-overflateutslippet på en avstand som er angitt av produsenten og avhengig av fokuslinsen. Hvis du ikke bruker en integrerende sfære, kan det antas at OLED-enhetens utslipp følger en Lambertian-profil for effektivitetsberegningen. Her samsvarer ikke den plottede lysstyrken med den målte under en integrerende sfære (dermed vil den være minst π ganger mindre).

  1. Sett den fabrikkerte OLED-enheten i testholderen og lag de elektriske kontaktene for ønsket piksel. Mål strømmen (I), påført spenning (V) og lysstyrke (L). Fullstendige detaljer om det eksperimentelle oppsettet har blitt forklart tidligere43.
  2. Med et spektrometer måler du elektroluminescensspektrene (EL) ved forskjellige påførte spenninger i et område som tilsvarer det dynamiske området til OLED-operasjonen44. Ta minst tre til fire spektra. Her brukes påførte spenninger på 5 V, 10 V og 15 V.
  3. Bruk nødvendig programvare til å beregne strømtetthet (J), strømeffektivitet (μc candela/Ampere), energieffektivitet (ηp, lumen/watt) og ekstern virkningsgrad (EQE). Med elektroluminescensspektrene bestemmer du CIE-fargekoordinatene. Egnet informasjon om hvordan man beregner alle disse fortjenestetallene er beskrevet tidligere44.
  4. Plott de angitte dataene. Utfør en kritisk analyse av resultatene når det gjelder effektivitet og lysstyrke. Se elektroluminescensspektrene og forsøk å etablere en modell for å forstå resultatene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 viser de viktigste resultatene for den fabrikkerte enheten. Påkoblingsspenningen var ekstremt lav (~ 3 V), noe som er et interessant resultat for en to-organisk lags enhet. Maksimal lysstyrke var rundt 8,000 cd / m2 uten å bruke en integrerende sfære. Maksimumsverdiene for ηc, ηp og EQE var henholdsvis rundt 16 cd/A, 10 lm/W og 8 %. Selv om resultatene ikke er de beste tallene for fortjeneste for denne TADF-emitteren, var de de beste funnet i en så enkel enhetsstruktur ved hjelp av denne emitteren via løsningsprosessmetoden.

En maksimal EQE på 14,9% ble rapportert i en femlags termisk fordampet OLED for samme emitter42. Det er viktig å merke seg at EQE viste en relativt lav roll-off oppførsel (nær 7,5% for L = 100 cd / m 2 og ~ 6% for L = 1000 cd / m2), og slike roll-off verdier er best oppnådd for denne spesifikke TADF emitter42. Dette betyr at konseptet som brukes for å modulere EMLs elektriske egenskaper ved hjelp av løsningsavsetning, ser ut til å være effektivt gyldig. Noe nedbrytning ble observert for påførte spenninger høyere enn 15 V, noe som tilsvarer den velkjente brudd på kjemiske bindinger på grunn av høy elektrisk bærertetthet.

Forklaringen på disse resultatene er interessant. Etter konseptene og analysen beskrevet i introduksjonen ble det oppnådd en elektrisk balansert og effektiv enhet, til tross for den enkle strukturen. Med sammensetningen i EML ble modulering av den elektriske mobiliteten beregnet for å oppnå en bærerprofil tilstrekkelig til den beste exciton-rekombinasjonen mulig. To enkle n-type- eller p-type-only-enheter ble utarbeidet etter en publisert prosedyre45, og mobilitetene for det aktive laget var μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 og μp = 4,76 x 10-7 cm2 V-1 s-1.

Med løsningsavsetning, en enkel elektrisk balansert enhet kan oppnås, da de elektriske egenskapene til EML kan moduleres fra korrekte justeringer og innstilling av avsetningsparametrene. Avhengig av senderne som skal testes, kan dette konseptet enkelt tilpasses for videreutvikling av løsningsbehandlede OLED-er.

Figure 1
Figur 1: Protokollskjematisk. De brukte mønstrede substratene med ITO-stripene. I hvert substrat ble det produsert seks OLED-er med individuelle områder på 4 mm2 . Et enkelt skjema over avsetningsprosessen som hindrer spin coater-teknikken vises. Hovedområdet til den deponerte filmen viser områdene som skal rengjøres slik at de elektriske kontaktene kan plasseres nøyaktig når de fordampes. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: Typisk kalibreringskurve for spinnbelegg. I dette tilfellet, og for det aktive laget, brukes en fast tid på 60 s. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: AFM-bilde av PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10 % vekt) 50 nm tynnfilm fra klorbenzenoppløsning. Filmen ble avsatt ved hjelp av spinnbelegg som beskrevet i protokollen. RMS-verdien er bare 0,309 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Fordampningsskjematisk. (A) Fordampningsmaske som justeres på toppen av de deponerte filmene. Vanligvis er de forhåndsdesignet for spesifikke støtter. (B) Skjematisk av fordampningskammeret med forskjellige digler. Type, nummer og plassering avhenger av det spesifikke utstyret. Sensorene for tykkelsesmålinger er plassert i nærheten av diglene. På toppen har prøveholderen plass til underlagsholderen med masker. (C) Endelige ordninger (og typisk fotografering) av produsert OLED. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: Hovedtall for fortjeneste av de produserte grønne OLED-ene. (A) Den vanlige strømtettheten (J), påført spenning (V) og lysstyrke (L). (B) Strøm og energieffektivitet som en funksjon av strømtetthet. (C) EQE som en funksjon av lysstyrke for å evaluere roll-off. (D) Elektroluminescensspektrene ved 10 V (inkludert bildet av OLED). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen som brukes her for å fremstille en effektiv OLED i en enkel enhetsstruktur er relativt enkel. Den elektriske mobiliteten moduleres ikke bare av materialsammensetningen til et enhetslag, men avhenger også kritisk av filmmorfologi. Fremstilling av løsningene og et passende valg av løsningsmiddel og konsentrasjon er viktig. Ingen materialaggregering kan forekomme, noe som innebærer fullstendig oppløselighet i nanometrisk skala. Det er også viktig å observere viskositeten til løsningen. En høy viskositet fører til en høy kontaktvinkel av løsningen på underlaget, og det motsatte er også mulig. I begge tilfeller kan en ikke-homogen film dannes ved spinnbelegg. I tillegg bør du unngå å starte rotasjonen av spin coater før oppløsningen droppes. Til slutt er et automatisk system for å slippe løsningen i spinnbelegget et alternativ, noe som er fordelaktig for god tynnfilmavsetning. Ellers er det nødvendig å garantere at mikropipetten forblir så vinkelrett som mulig (relatert til substrat) når løsningen slippes. Videre må den fjernes umiddelbart når all oppløsning slippes for å unngå ekstra små dråper når spinnbelegget starter.

Som nevnt i innledningen, kan ikke alle materialer enkelt deponeres ved hjelp av løsningsprosessen. Heldigvis kan de fleste enheter fremstilles ved hjelp av protokollen beskrevet her. Ytterligere forbedring av fortjenestetallene kan oppnås, noe som er sterkt avhengig av god filmdannelse (selv ved molekylær stablingsskala). De generelle elektriske egenskapene avhenger av dette. I tillegg til metodens enkelhet, er absolutt reproduserbarhet av enheten ved hjelp av spinnbeleggmetoder nesten 50% på grunn av menneskelig feil. Det kan heller ikke brukes til underlag med stort område.

Til slutt kan alle trinnene som er beskrevet i protokollen sees på som det felles rammeverket for å produsere stabile, effektive og enkle OLED-er. Med tanke på trenden mot trykt elektronikk, er dette arbeidet av stor betydning for fremtidige applikasjoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å anerkjenne "EXCILIGHT" -prosjektet fra EUs Horizon 2020 forsknings- og innovasjonsprogram under Marie Sklodowska-Curie stipendavtale nr. 674990. Dette arbeidet ble også utviklet innenfor rammen av prosjektet i3N, UIDB/50025/2020 &UIDP/50025/2020, finansiert av nasjonale midler gjennom 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Engineering OLED løsningsdeponerte enheter tall for fortjeneste roll-off organisk elektronikkteknikk termisk aktivert forsinket fluorescens lavkompleks enhetsstruktur enkel OLED-fabrikasjonsprosess
Utvikling av effektive OLED-er fra løsningsdeponering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumar, M., Pereira, L. Development… More

Kumar, M., Pereira, L. Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition. J. Vis. Exp. (189), e61071, doi:10.3791/61071 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter