$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Con la crescente modernizzazione, il tasso di consumo energetico è aumentato, il che ha costretto l'emergere di diverse fonti efficienti dal punto di vista energetico. Anche se spesso non viene realizzata, l'illuminazione è uno dei principali settori che consumano energia. Secondo un rapporto pubblicato dal Programma delle Nazioni Unite per l'ambiente (UNEP) nel 20171. L'illuminazione consuma il 15-19% dell'elettricità globale 1,2 ed emette circa il 5% dei gas serra nel mondo 1,3. Se questo problema viene trascurato, il consumo di elettricità per l'illuminazione aumenterà di molte volte entro il 2030 1,4, con un impatto significativo sul cambiamento climatico dovuto al riscaldamento globale. Pertanto, lo sviluppo di tecnologie di illuminazione ad alta efficienza energetica5 è estremamente promettente per un ambiente sostenibile.
I dispositivi a diodi organici a emissione di luce (OLED) hanno rivoluzionato il campo dei display e dell'illuminazione, offrendo una migliore qualità del display e un'elevata efficienza energetica 6,7. Oltre a questo, offre anche la sottigliezza, la flessibilità, l'elevato contrasto e gli ampi angoli di visione richiesti. Grazie a tutti questi vantaggi, l'utilità dei materiali OLED sta gradualmente aumentando in varie applicazioni, tra cui smartphone, televisori, dispositivi indossabili e sistemi di illuminazione per autoveicoli8. Gli OLED utilizzano composti organici come strati emissivi ed emettono luce sulla ricombinazione radiativa di lacune ed elettroni 9,10,11. Lo sviluppo dei dispositivi OLED è stato portato avanti attraverso tre generazioni di materiali emettitori12. Il primo è costituito dai materiali fluorescenti, che possono raccogliere solo gli eccitoni singoletto, portando teoricamente all'efficienza quantica interna (IQE) del 25%. Gli OLED di seconda generazione impiegano emettitori fosforescenti per accedere a tutti gli eccitoni singoletto e tripletto, grazie all'efficiente accoppiamento spin-orbita, tutti gli elettroni tripletto possono anche essere raccolti, portando al 100% IQE13,14. Tuttavia, questi complessi contengono metalli pesanti come l'iridio (Ir) o il platino (Pt), che sollevano preoccupazioni ambientali e problemi di costo. Successivamente arriva la terza generazione di OLED, che comprende emettitori a fluorescenza ritardata attivati termicamente (TADF) 15,16,17,18,19.
Le molecole di TADF mostrano un piccolo divario di energia tra gli stati eccitati di tripletto e singoletto, consentendo l'attraversamento inverso dell'intersistema (RISC) attivato dall'energia termica e raggiungendo un IQE teorico del 100%20. La progettazione di una molecola TADF contiene la strategia per collegare un gruppo donatore e un gruppo accettore con o senza l'aiuto di un'unità centrale. Un nucleo adatto supporta un efficiente accoppiamento elettronico tra i gruppi donatore e accettore. I gruppi ricchi di elettroni (ad esempio, carbazolo, fenossazina, fenotiazina, trifenilammina) sono generalmente usati come donatori, mentre i gruppi carenti di elettroni (ad esempio, triazina, ossadiazolo, benzofenone o gruppi ciano) funzionano come accettori 21,22,23,24,25,26,27. Gli emettitori TADF possiedono un piccolo gap di energia singoletto-triplo (ΔEST), che aiuta a facilitare l'attraversamento inverso dell'intersistema (RISC)28. Qui, in questo lavoro, prepariamo una molecola TADF di tipo D-A, che verrà ulteriormente utilizzata per realizzare un dispositivo OLED emissivo verde28.
Gli OLED multistrato hanno una tecnologia OLED significativamente avanzata migliorando le metriche delle prestazioni rispetto ai dispositivi a strato singolo. Un dispositivo OLED multistrato contiene diversi strati organici, ognuno dei quali svolge una funzione specifica29,30. Le prestazioni del dispositivo possono essere personalizzate modificando il materiale, lo spessore e la concentrazione di ogni strato. I materiali di questi strati sono scelti in base al loro livello di energia dell'orbitale molecolare occupato più alto (HOMO) e dell'orbitale molecolare non occupato più basso (LUMO). Questi strati organici rimangono inseriti tra i due elettrodi (catodo e anodo). Una volta collegati al circuito, gli elettroni fluiscono dall'HOMO delle molecole emissive verso la sorgente di tensione attraverso l'anodo, creando un buco. Mentre la sorgente di tensione fornisce elettroni al LUMO della molecola attraverso il catodo. Queste cariche opposte viaggiano attraverso il dispositivo e si ricombinano nello strato emissivo, e la ricombinazione radiativa degli eccitoni emette fotoni. A seconda dei materiali dello strato emissivo e del loro gap energetico HOMO-LUMO, il colore dell'emissione può variare29. Si desidera che la ricombinazione avvenga nello strato emissivo (EML); A tal fine, è necessaria una struttura del dispositivo ottimizzata. Se gli strati e il loro spessore non sono ottimizzati correttamente, la ricombinazione potrebbe essere spostata, con conseguente scarso rendimento del dispositivo.
La fabbricazione di dispositivi multistrato può essere di due tipi, mediante deposizione termica sotto vuoto o elaborazione in soluzione. Qui, in questo articolo, viene presentato un metodo dettagliato per la fabbricazione di un dispositivo di un emettitore TADF utilizzando il metodo del processo in soluzione (in cui viene realizzato lo spin coating per i primi tre strati, seguito dalla deposizione sotto vuoto dei tre strati successivi). Il processo di fabbricazione dei dispositivi processato in soluzione ha attirato maggiore attenzione perché è economico, altamente scalabile e sostenibile dal punto di vista ambientale. Inoltre, lo spreco di materiale è relativamente inferiore rispetto all'evaporazione termica sotto vuoto. Il materiale trattato in soluzione può essere depositato a temperatura ambiente, il che lo rende una scelta adatta, consentendo la fabbricazione su substrati flessibili e sensibili al calore. Infatti, per quelle molecole con bassa stabilità termica, il dispositivo può essere realizzato solo con questo metodo. Tuttavia, ci sono alcune cose da considerare prima della fabbricazione. È necessario verificare la solubilità dell'emettitore, la stabilità e l'uniformità del film.
Qui, abbiamo preparato una molecola TADF di tipo D-A, che verrà ulteriormente utilizzata per realizzare un dispositivo OLED emissivo verde28. In primo luogo, viene discussa in breve la strategia di sintesi per l'emettitore TADF 2BPy-oTC; La discussione dettagliata è già riportata nel precedente articolo del nostro Gruppo28. Inoltre, il materiale sintetizzato è stato purificato mediante cromatografia su colonna e, per ottenere materiale di elevata purezza, è stato sublimato utilizzando una configurazione di sublimazione ad alto vuoto a gradiente di temperatura. La fase di purificazione è estremamente necessaria, poiché qualsiasi traccia di impurità influirà sulle prestazioni del dispositivo. Successivamente, per la fabbricazione del dispositivo, sono stati prelevati e puliti substrati di vetro modellati in ossido di indio e stagno (ITO). La pulizia dei substrati è molto importante31. I substrati rivestiti di ITO sono stati puliti accuratamente sonicando con una soluzione di sapone, acqua ultrapura e solventi organici, seguita dalla pulizia con ozono. Successivamente, lo strato di iniezione del foro (HIL) è stato rivestito in centrifuga sopra il substrato ITO (anodo) e lo strato polimerico di poli(3,4-etilendiossiossifene) polistirene solfonato (comunemente noto come PEDOT: PSS) è stato preso come HIL. Lo strato di trasporto del foro (HTL) è stato rivestito in rotazione sopra HIL. Questo strato aiuta nella migrazione dei fori verso lo strato emissivo. Il poli(9-vinilcarbazolo) (PVK), avente un livello di energia HOMO simile a PEDOT: PSS, è stato utilizzato come HTL. Inoltre, lo strato emissivo (EML) è stato rivestito in centrifuga sopra HTL. Per evitare il quenching di concentrazione nella maggior parte dei dispositivi basati su TADF, la molecola emettitrice viene dispersa in una matrice ospite. In questo studio, il 10% in peso di 2BPy-oTC è stato assunto nell'ospite N,N'-dicarbazolil-4,4′-bifenile (CBP), che è un ospite ben noto per l'emettitore verde 32,33,34. Quindi questi substrati fabbricati sono stati caricati nell'evaporatore termico. Lo strato di trasporto degli elettroni (ETL) e lo strato di iniezione degli elettroni (EIL) sono stati depositati per evaporazione termica. Questa evaporazione termica richiede un controllo preciso della velocità di deposizione in un ambiente ad alto vuoto. Il 2,2',2"-(1,3,5-benzinetril)-tris(1-fenil-1 H-benzimidazolo) (TPBi) è stato depositato come ETL, che aiuta a trasferire gli elettroni dall'EIL all'EML, e l'8-idrossichinolinolato-litio (Liq) è stato utilizzato come EIL, che inietta gli elettroni nell'architettura del dispositivo attraverso un effetto tunneling. Infine, 100 nm di alluminio sono stati depositati con una maschera catodica. Quindi, la struttura complessiva del dispositivo è la seguente: ITO/ PEDOT:PSS (30 nm)/ PVK (30 nm)/ 10% in peso 2BPy-oTCz in CBP (30 nm)/ TPBi (50 nm)/ Liq (2 nm)/ Al (100 nm).