Waiting
Login processing...

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

Engineering

Ontwikkeling van efficiënte OLED's vanuit solution deposition

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

Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de fabricage van efficiënte, eenvoudige, oplossingsgesteerde organische lichtgevende diodes met lage roll-off.

Abstract

Het gebruik van zeer efficiënte organische emitters op basis van het thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie (TADF) concept is interessant vanwege hun 100% interne kwantumefficiëntie. Hier wordt een oplossingsmethode gepresenteerd voor de fabricage van efficiënte organische lichtgevende diodes (OLED's) op basis van een TADF-emitter in een eenvoudige apparaatstructuur. Dit snelle, goedkope en efficiënte proces kan worden gebruikt voor alle OLED-emissive lagen die het host-guest-concept volgen. De fundamentele stappen worden beschreven samen met de nodige informatie voor verdere reproductie. Het doel om een algemeen protocol op te stellen dat gemakkelijk kan worden aangepast voor de belangrijkste organische emitters die momenteel worden bestudeerd en ontwikkeld.

Introduction

De toename van organische elektronica die in het dagelijks leven wordt gebruikt, is een onovertroffen realiteit geworden. Van de verschillende organische elektronische toepassingen zijn OLED's misschien wel de meest aantrekkelijke. Hun beeldkwaliteit, resolutie en kleurzuiverheid hebben OLED's tot een primaire keuze voor beeldschermen gemaakt. Bovendien heeft de mogelijkheid om een groot oppervlak te emissie te bereiken in extreem dunne, flexibele, lichtgewicht en gemakkelijk in kleur instelbare OLED's toepassingen in verlichting. Sommige technologische problemen in verband met het fabricageproces bij grote emittenten hebben verdere toepassing echter uitgesteld.

Met de eerste OLED die werkt op lage toegepaste spanningen1, zijn nieuwe paradigma's voor solid-state verlichting ontworpen, hoewel met een lage externe kwantumefficiëntie (EQE). De OLED EQE wordt verkregen door de verhouding van uitgezonden fotonen (licht) tot geïnjecteerde elektrische dragers (elektrische stroom). Een eenvoudige theoretische schatting voor de maximaal verwachte EQE is gelijk aan ηx ηint 2. De interne efficiëntie (ηint) kan worden benaderd door ηint = γ x x Equation 1 x ΦPL, waarbij γ overeenkomt met de ladingsbalansfactor, ΦPL de fotoluminescentie kwantumopbrengst (PLQY) is en Equation 1 de efficiëntie is van emissive exciton (elektronengatpaar) generatie. Tot slot is ηout de outcoupling efficiency2. Als ontkoppeling niet wordt overwogen, wordt de aandacht gericht op drie onderwerpen: (1) hoe efficiënt het materiaal is in het creëren van excitonen die stralingsrecombineren, (2) hoe efficiënt de emissive lagen zijn, en (3) hoe efficiënt de apparaatstructuur is in het bevorderen van een goed uitgebalanceerd elektrisch systeem3.

Een puur fluorescerende organische emitter heeft slechts 25% interne kwantumefficiëntie (IQE). Volgens de spinregels is de stralingsovergang van een triplet naar een singlet (T→S) verboden4. Daarom draagt 75% van de geëxciteerde elektrische dragers niet bij aan de emissie van fotonen5. Dit probleem werd voor het eerst overwonnen met behulp van overgangsmetalen in organische emitterfosforescentie OLED's 6,7,8,9,10, waar de IQE naar verluidt dicht bij 100% 11,12,13,14,15,16 lag . Dit komt door de spin-baankoppeling tussen de organische verbinding en het zware overgangsmetaal. Het nadeel bij dergelijke uitstoters is hun hoge kosten en slechte stabiliteit. Onlangs hebben rapporten over de chemische synthese van een zuivere organische verbinding met een lage energiescheiding tussen de geëxciteerde triplet- en singlettoestanden (∆EST) door Adachi 17,18 aanleiding gegeven tot een nieuw raamwerk. Hoewel niet nieuw19, heeft de succesvolle toepassing van het TADF-proces in OLED's het mogelijk gemaakt om hoge efficiënties te verkrijgen zonder overgangsmetaalcomplexen te gebruiken.

In dergelijke metaalvrije organische emitters is de kans groot dat de geëxciteerde dragers in een triplettoestand de singlettoestand bevolken; daarom kan de IQE een theoretische limiet van 100%5,20,21,22 bereiken. Deze TADF-materialen leveren excitonen die stralingsmatig kunnen recombineren. Deze emitters vereisen echter dispersie in een matrixgastheer om te voorkomen dat de emissie 3,20,21,23,24 dooft in een host-gastconcept. Bovendien hangt de efficiëntie ervan af van hoe de gastheer (organische matrix) wordt toegeëigend aan het gastmateriaal (TADF) 25. Ook is het noodzakelijk om de structuur van het apparaat (d.w.z. dunne lagen, materialen en dikte) te idealiseren om een elektrisch uitgebalanceerd apparaat te bereiken (evenwicht tussen gaten en elektronen om verlies te voorkomen)26. Het bereiken van het beste host-guest systeem voor een elektrisch gebalanceerd apparaat is van fundamenteel belang om de EQE te verhogen. In TADF-gebaseerde systemen is dit niet eenvoudig, vanwege de veranderingen in de elektrische dragermobiliteit in EML die niet gemakkelijk kunnen worden afgestemd.

Met TADF-stralers zijn EQE-waarden van meer dan 20% gemakkelijk te verkrijgen 26,27,28,29. De structuur van het apparaat bestaat echter meestal uit drie tot vijf organische lagen (gattransport / blokkering en elektronentransport / blokkerende lagen, respectievelijk HTL / HBL en ETL / EBL). Bovendien wordt het vervaardigd met behulp van een thermisch verdampingsproces dat hoog is in kosten, technologisch complex en bijna alleen voor weergavetoepassingen. Afhankelijk van de HOMO-niveaus (hoogste bezette moleculaire orbitaal) en LUMO-niveaus (laagste onbezette moleculaire orbitale) niveaus, elektrische mobiliteit van dragers en dikte, kan elke laag elektrische dragers injecteren, transporteren en blokkeren en recombinatie in de emissive laag (EML) garanderen.

Het verminderen van de complexiteit van het apparaat (bijvoorbeeld een eenvoudige structuur met twee lagen) resulteert meestal in een merkbare afname van EQE, soms tot minder dan 5%. Dit gebeurt door de verschillende elektronen- en gatmobiliteit in de EML en het apparaat raakt elektrisch uit balans. Dus in plaats van de hoge efficiëntie van excitoncreatie, wordt de efficiëntie van de emissie in de EML laag. Bovendien treedt een merkbare roll-off op met een sterke afname van de EQE naarmate de helderheid toeneemt, als gevolg van de hoge concentratie excitonen bij een hoge toegepaste spanning en lange aangeslagen levensduur 24,30,31. Het overwinnen van dergelijke problemen vereist een sterk vermogen om elektrische eigenschappen van de emissive laag te manipuleren. Voor een eenvoudige OLED-architectuur met behulp van oplossingsgesteerde methoden kunnen de elektrische eigenschappen van het EML worden afgestemd door de oplossingsvoorbereidings- en depositieparameters32.

Oplossingsdepositiemethoden voor organische apparaten zijn eerder gebruikt31. OLED-fabricage, vergeleken met het thermische verdampingsproces, is van groot belang vanwege hun vereenvoudigde structuur, lage kosten en productie van grote oppervlakken. Met veel succes in overgangsmetaalcomplexen OLED's, is het belangrijkste doel om het emittinggebied te vergroten, maar de apparaatstructuur zo eenvoudig mogelijk te houden33. Methoden zoals roll-to-roll (R2R)34,35,36, inkjet printing 37,38,39 en slot-die 40 zijn met succes toegepast in de meerlaagse fabricage van OLED's, wat een mogelijke industriële aanpak is.

Ondanks dat oplossingsdepositiemethoden voor organische lagen dienen als een goede keuze voor vereenvoudiging van de apparaatarchitectuur, kunnen niet alle gewenste materialen gemakkelijk worden gedeponeerd. Er worden twee soorten materialen gebruikt: kleine moleculen en polymeren. In oplossingsdepositiemethoden hebben kleine moleculen enkele nadelen, zoals slechte dunne filmuniformiteit, kristallisatie en stabiliteit. Polymeren worden dus meestal gebruikt vanwege het vermogen om uniforme dunne films te vormen met een lage oppervlakteruwheid en op grote, flexibele substraten. Bovendien moeten de materialen een goede oplosbaarheid hebben in het juiste oplosmiddel (voornamelijk organische zoals chloroform, chloorbenzeen, dichloorbenzeen, enz.), Water of alcoholderivaten.

Naast het probleem van de oplosbaarheid, is het noodzakelijk om te garanderen dat een oplosmiddel dat in de ene laag wordt gebruikt, niet als één voor de vorige laag fungeert. Dit maakt een meerlaagse structuur mogelijk die door het natte proces wordt afgezet; er zijn echter beperkingen41. De meest typische apparaatstructuur maakt gebruik van enkele door de oplossing afgezette lagen (d.w.z. de emissive) en één thermisch verdampte laag (ETL). Bovendien zijn dunne filmhomogeniteit en morfologie sterk afhankelijk van de depositiemethoden en parameters. Elektrisch ladingstransport door deze lagen wordt volledig beheerst door een dergelijke morfologie. Niettemin moet een afweging tussen het gewenste eindapparaat en de compatibiliteit van het fabricageproces oordeelkundig worden vastgesteld. Het aanpassen van de depositieparameters is een sleutel tot succes, ondanks dat het tijdrovend werk is. De spincoating is bijvoorbeeld geen eenvoudige techniek. Hoewel het eenvoudig lijkt, zijn er verschillende aspecten van dunne filmvorming uit een oplossing bovenop een draaiend substraat die aandacht vereisen.

Naast optimalisatie van de filmdikte, manipulatie van de spinsnelheid en tijd (dikte is een exponentieel verval van beide parameters), moeten de acties van de experimentator ook worden aangepast om goede resultaten te verkrijgen. De juiste parameters zijn ook afhankelijk van de viscositeit van de oplossing, het depositiegebied en de bevochtigbaarheid/contacthoek van de oplossing op het substraat. Er zijn geen unieke sets parameters. Alleen basisaannames met specifieke aanpassingen aan de oplossing/substraat leveren het gewenste resultaat op. Bovendien kunnen de elektrische eigenschappen die afhankelijk zijn van de laagmoleculaire conformatie en morfologie worden geoptimaliseerd voor gewenste resultaten, volgens het hier beschreven protocol. Eenmaal voltooid, is het proces eenvoudig en haalbaar.

Niettemin leidt het verminderen van de complexiteit van de apparaatstructuur tot een maximale EQE-afname; hoewel een compromis kan worden bereikt in termen van efficiëntie versus helderheid. Omdat een dergelijk compromis praktische toepassingen mogelijk maakt, kan het overschot van een eenvoudig, groot gebied compatibel en goedkoop proces een realiteit worden. In dit artikel worden deze vereisten beschreven en wordt beschreven hoe u een recept kunt ontwikkelen om de vereiste problemen aan te pakken.

Het protocol richt zich op een groene TADF-emitter 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-fenoxazin-10-yl)fenyl)-1,3,4-oxadiazol]42 als gast in een gastheermatrix samengesteld door PVK [poly(N-vinylcarbazol)] en OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylfenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzeen], dat overeenkomt met het EML. Een elektronentransportlaag (ETL) van TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridine-3-ylfenyl)benzeen] wordt gebruikt. Zowel de werkfuncties van de anode als de kathode zijn geoptimaliseerd. De anode bestaat uit ITO (indiumtinoxide) met een hooggeleidend polymeer PEDOT:PSS [poly(3,4-ethyleendioxythiofeen)-poly(styrenesulfonaat)], en de kathode bestaat uit een dubbele laag aluminium en LiF (lithiumfluoride).

Ten slotte worden zowel de PEDOT: PSS als EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) afgezet door spincoating, terwijl TmPyPb, LiF en Al thermisch worden verdampt. Gezien de geleidende metaalachtige aard van PEDOT: PSS, is het apparaat een typische "twee organische laag" in de eenvoudigst mogelijke structuur. In de EML is TADF-gast (10% wt.) verspreid in de gastheer (90% wt.) bestaande uit PVK0,6+ OXD-70,4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

LET OP: De volgende stappen omvatten het gebruik van verschillende oplosmiddelen en organische materialen, dus de juiste zorg moet worden genomen bij het hanteren. Gebruik de zuurkast en beschermingsmiddelen zoals een laboratoriumbril, gezichtsmaskers, handschoenen en laboratoriumjassen. Het wegen van de materialen moet nauwkeurig gebeuren met behulp van een zeer nauwkeurige weegschaalmachine. Om de reinheid van de substraten, de oplossingsafzetting van dunne films en verdamping te garanderen, wordt aanbevolen dat alle procedures worden uitgevoerd in een gecontroleerde omgeving of handschoenenkastje. Vóór het gebruik van een spincoater, micropipettes, thermische verdampers, organische materialen en oplosmiddelen moeten alle veiligheidsinformatiebladen worden geraadpleegd.

1. Voorbereiding van host-guest oplossing

  1. Weeg in twee kleine injectieflacons (volume tussen 4-6 ml, gereinigd met isopropanol en gedroogd met stikstof) de gastheermatrix bestaande uit 12 mg PVK en 8 mg OXD-7. Begin met het wegen van de OXD-7. Compenseer elke afwijking in het gewicht met BEHULP VAN PVK om een uiteindelijke verhouding van 6:4 (PVK:OXD-7) te bereiken. Weeg in de tweede injectieflacon 10 mg 2PXZ-OXD TADF-emitter af.
  2. Voeg 2 ml chloorbenzeen toe aan de injectieflacon met gastheermatrix en 1 ml aan de injectieflacon met TADF-materiaal. Als het gewicht van injectieflacons niet precies de hierboven beschreven waarden is, pas dan het chloorbenzeenvolume in beide injectieflacons aan om een oplossing met een eindconcentratie van 10 mg/ml te bereiken.
  3. Laat de oplossingen roeren met kleine, gereinigde magneetroerbeugels gedurende ten minste 3 uur om volledige oplossing van de materialen te garanderen. Zorg ervoor dat de injectieflacons veilig zijn afgedekt met de respectieve doppen en goed zijn afgesloten met organisch-chemische veilige film om verdamping van oplosmiddelen te voorkomen.

2. Substraatreiniging

OPMERKING: Om de substraten te hanteren, gebruikt u een pincet en raakt u alleen in een hoek aan (raak nooit het midden van de substraten aan). De substraten die hier worden gebruikt, hebben zes voorgevormde ITO-pixels (figuur 1A).

  1. Verkrijg voorgevormde ITO-substraten. Reinig substraten in een ultrasoon bad met 1% v / v Hellmanex-oplossing in water, aceton en 2-propanol (IPA), sequentieel, gedurende 15 minuten in elk bad. Voer het eerste bad uit bij ongeveer 95 °C en het resterende bij kamertemperatuur (RT). Droog ten slotte de substraten met behulp van stikstofflux om eventuele reinigingsmiddelresten te verwijderen.
  2. Stel vóór de fabricage de substraten (ITO-film naar boven gericht) gedurende 5 minuten bloot aan uv-ozonbehandeling. Haal de gassen zorgvuldig uit en zorg ervoor dat het ITO-patroon wordt blootgesteld aan de UV. Gebruik hier een ozonreiniger (100 W, 40 kHz). Stel de emissiegolflengte van de UV-lampen in op 185 nm en 254 nm met een hoge intensiteit, lage druk, kwikdampontladingslamp.

3. Spin coating

Dit is de belangrijkste stap van dit protocol. Om uniformiteit, homogeniteit en afwezigheid van gaatjes in de dunne films te garanderen, moeten alle oplosmiddelen worden gefilterd met hun respectieve filterpapier. Volledige verwijdering van overtollige oplosmiddelen uit substraten moet worden gewaarborgd om kortsluiting in het uiteindelijke apparaat te voorkomen. Voor de substraten die hier worden gebruikt, is het verwijderen van overtollige materialen uit de ITO en kathode met patroon ook belangrijk om de uiteindelijke pixel te fixeren, en deze moet met hoge precisie worden uitgevoerd, zonder het actieve gebied van de pixel te verstoren. De hieronder beschreven stappen moeten worden gevolgd voor het centrifugeren van de dunne films. De uiteindelijke dikte van de dunne film zal variëren als u een andere spincoater gebruikt dan degene die hier wordt gebruikt.

  1. Bereid de spin coater apparatuur voor.
    OPMERKING: Voordat u de spincoater gebruikt, is het noodzakelijk om een curvekalibratie uit te voeren met de afzettingsparameters en de uiteindelijke dikte die voor de films zijn verkregen. Dit moet worden gedaan voor elke gebruikte oplossing. De procedure omvat het maken van verschillende afzettingen voor dezelfde oplossing, maar met verschillende parameters, en de uiteindelijke dikte wordt gemeten met een profilometer. Figuur 2 toont een typische kalibratiecurve voor een actieve laag.
  2. Deponeer PEDOT:PSS als eerste laag bovenop ITO. Filter de PEDOT:PSS met een 0,45 μm polyvinylideenfluoride (PVDF) filter. Vul een micropipet met 100 μL PEDOT:PSS.
  3. Plaats het substraat voorzichtig op de spin coater chuck en activeer het vacuümsysteem om het substraat te fixeren (figuur 1B,C). Draai de ITO naar boven en pas het substraatgebied zoveel mogelijk aan om het substraatgebied te centreren. Stel de parameters voor de spincoating in op 5.000 tpm gedurende 30 s. Stel een eerste stap in met behulp van de spin coater van ~ 2-3 s bij lage rotatie (200-500 rpm). Er wordt een dikte van 30 nm verwacht.
  4. Houd de micropipet loodrecht op het substraat (figuur 1D), laat de oplossing (100 μL) in het midden van het substraat vallen (figuur 1D) en start de spincoater (figuur 1E).
    OPMERKING: Laat de oplossing niet te snel of langzaam vallen om het risico van niet-halogene verspreiding van de oplossing te voorkomen (afhankelijk van de viscositeit kan de contacthoek niet-ideologisch zijn). Meestal is het laten vallen van de oplossing in ~ 1 s ideaal. Raak het substraat niet aan met de micropipette en probeer te synchroniseren tussen het starten van de spin coater en het laten vallen van de oplossing. Als er geen tweestapsdepositie-instelling (zoals uitgelegd in stap 3.3) beschikbaar is, overweeg dan een statische afzetting: laat de oplossing eerst vallen en start de spincoater onmiddellijk daarna. Het laten vallen van de oplossing moet zorgvuldig worden gedaan. Alle oplossingen moeten in het midden van de rotatieas worden gedropt en een uniforme plek vormen om non-uniformiteiten tijdens het proces te voorkomen. Houd er rekening mee dat, hoewel deze regels ideaal zijn voor een goede filmafzetting, de spincoatingtechniek moeilijk te optimaliseren is (d.w.z. verschillende preoptimisatiestappen vereist). Bovendien hangt het af van de viscositeit van de oplossing, het gewenste gebied van de afzetting, hoe de oplossing op het substraat wordt gedropt en het begin van het spinnen. Een voorbeeld van goede filmvorming op microscopische schaal is in figuur 3 te zien als afm-beeld.
  5. Voltooi de stap van de spincoater (figuur 1F). Schakel het vacuüm uit en verwijder met een pincet het substraat. Met behulp van kleine wattenstaafjes gedrenkt in water (d.w.z. het PEDOT: PSS-oplosmiddel; Figuur 1G), verwijder de overtollige afgezette film rond de kathode en hoekgebieden van het substraat, waardoor het centrale pixelgebied onaangetast blijft.
  6. Bewaar het substraat in een oven of op een hete plaat bij 120 °C gedurende 15 minuten om het PEDOT:PSS-oplosmiddel (water) te verwijderen. Haal uit de oven of kookplaat, ga naar een dashboardkastje en laat afkoelen tot RT (figuur 1H).
  7. Bereid de oplossing voor de EML voor. Bereid in een nieuwe schone injectieflacon (zie stap 1.1) met behulp van een micropipette een nieuwe oplossing die bestaat uit 1,8 ml gastheeroplossing en 0,2 ml TADF-oplossing. Voordat u de oplossing gebruikt, filtert u deze met een PTFE-filter van 0,1 μm.
  8. Laat de nieuwe oplossing 15 minuten roeren bij RT.
  9. Volg de stappen 3.3 tot en met 3.5 en plaats deze tweede oplossing in een spincoater in het dashboardkastje. Draai bij 2.000 tpm gedurende 60 s. De verwachte filmdikte moet 50 nm zijn. Om overtollige van de tweede film te verwijderen, gebruikt u wattenstaafjes gedrenkt in chloorbenzeen.
  10. Laat de substraten gedurende 30 minuten op een hete plaat in het handschoenenkastje bij 70 °C staan om het overtollige chloorbenzeen volledig te verwijderen.
  11. Verwijder de substraten van de hete plaat en laat afkoelen aan RT.
  12. Overweeg voor aanvullende voorzorgsmaatregelen enkele temperatuur/tijd (indirect, verdampingssnelheid) tests voor verschillende oplosmiddelen. De morfologie van de uiteindelijke film is sterk afhankelijk van deze parameters. Een eenvoudige AFM-test kan nuttig zijn om te bevestigen dat de verdampingssnelheid van oplosmiddelen voldoende is. De uiteindelijke structuur van de gedeponeerde dunne films moet min of meer vergelijkbaar zijn met het schema in figuur 1I.

4. Verdamping van materialen

OPMERKING: Voor een betere verdamping is het minimaal vereiste vacuüm meestal een druk lager dan 5 x 10-5 mbar. Voor alle organische materialen moet de verdampingssnelheid onder 2 Å/s worden gehouden om de ruwheid en uniformiteit van de lagen te verminderen. Voor LiF moet de verdampingssnelheid lager zijn dan 0,2 Å/s. Als u zich hier niet aan houdt, kan dit leiden tot niet-uniforme emissies. Als dit nog niet is gebeurd, programmeert u het piëzo-elektrische sensorsysteem (dat de depositiedikte en verdampingssnelheid meet) met de vereiste parameters, zoals 1) materiaaldichtheid, 2) Z-factor: een akoestische koppeling van materiaal aan de sensor en 3) gereedschapsfactor: geometrische kalibratie van de verdampingskroes versus monsterhouder. Raadpleeg voordat u de verdamper gebruikt de apparatuurspecificaties voor het uitvoeren van dergelijke kalibraties en raadpleegt u het materialenblad voor de dichtheids- en Z-factorwaarden voor een specifiek materiaal. Eenmaal geprogrammeerd, en zonder enige verandering in de geometrie van de verdampingskamer (gereedschapsfactor), kunnen de gegevens worden opgeslagen voor toekomstig gebruik met dezelfde materialen.

  1. Steek de substraten (films met de bedrukte zijde naar beneden en nadat stap 3.11 is voltooid) in de monsterhouder met het gewenste verdampingsmasker (figuur 4A).
  2. Voeg de benodigde smeltkroezen toe (de geometrie is afhankelijk van het specifieke verdampersysteem) en vul elk met de benodigde materialen (LiF, TmPyPb en Al). Een gedetailleerde uitleg van het thermische verdampingsproces in de ontwikkeling van OLED's is te vinden in de literatuur43 en wordt verder besproken in dit rapport.
  3. Plaats de substraathouder met monsters in de monsterhouder van de verdamper (figuur 4B). Sluit de kamer en pomp de verdamperkamer naar beneden. Volg de respectievelijke instructies voor het verdampersysteem.
  4. Verdamp een film van TmPyPb met een dikte van 40 nm. Verdamp achtereenvolgens 2 nm LiF en 100 nm Al. Volg voor de verdamping de gepubliceerde procedure43.
    OPMERKING: De uiteindelijke structuur wordt weergegeven in figuur 4C. In het huidige werk worden apparaten niet ingekapseld. Voor langetermijnexperimenten moet inkapseling worden uitgevoerd, wat hier niet de focus is.

5. Karakterisering van het apparaat

OPMERKING: Gebruik een zeer gevoelige spanningsmeter, luminantiemeter en spectrometer om het uiteindelijke apparaat te karakteriseren. Als er een integrerende bol is, gebruik deze dan. Plaats anders de luminantiemeter loodrecht op de OLED-oppervlakte-emissie op een door de fabrikant aangegeven afstand en afhankelijk van de focuslens. Als er geen integrerende bol wordt gebruikt, kan worden aangenomen dat de OLED-apparaatemissie een Lambertiaans profiel volgt voor de efficiëntieberekening. Hier komt de uitgezette helderheid niet overeen met de gemeten onder een integrerende bol (dus minstens π keer minder).

  1. Plaats het gefabriceerde OLED-apparaat in de testhouder en maak de elektrische contacten voor de gewenste pixel. Meet de stroom (I), de toegepaste spanning (V) en de helderheid (L). Volledige details over de experimentele opstelling zijn eerder uitgelegd43.
  2. Meet met een spectrometer de elektroluminescentiespectra (EL) bij verschillende toegepaste spanningen in een bereik dat overeenkomt met het dynamisch bereik van de OLED-operatie44. Neem ten minste drie tot vier spectra. Hier worden toegepaste spanningen van 5 V, 10 V en 15 V gebruikt.
  3. Bereken met behulp van de benodigde software de stroomdichtheid (J), stroomefficiëntie (μc candela/Ampère), energie-efficiëntie (ηp, lumen/Watt) en externe efficiëntie (EQE). Bepaal met de elektroluminescentiespectra de CIE-kleurcoördinaten. Geschikte informatie over het berekenen van al deze cijfers van verdienste is eerder beschreven44.
  4. Plot de aangegeven gegevens. Voer een kritische analyse uit van de resultaten in termen van efficiëntie en helderheid. Bekijk de elektroluminescentiespectra en probeer een model op te stellen om de resultaten te begrijpen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 5 toont de belangrijkste resultaten voor het gefabriceerde apparaat. De inschakelspanning was extreem laag (~ 3 V), wat een interessant resultaat is voor een apparaat met twee organische lagen. De maximale helderheid lag rond de 8.000 cd/m2 zonder gebruik te maken van een integrerende bol. De maximale waarden voor ηc, ηp en EQE lagen respectievelijk rond de 16 cd/A, 10 lm/W en 8%. Hoewel de resultaten niet de beste cijfers van verdiensten zijn voor deze TADF-emitter, waren ze het best te vinden in zo'n eenvoudige apparaatstructuur met behulp van deze emitter via de oplossingsprocesmethode.

Een maximale EQE van 14,9% werd gemeld in een vijflaags thermisch verdampte OLED voor dezelfde emitter42. Belangrijk is dat werd waargenomen dat de EQE een relatief laag roll-off gedrag vertoonde (bijna 7,5% voor L = 100 cd/m2 en ~6% voor L = 1000 cd/m2), en dergelijke roll-off waarden zijn het best bereikt voor deze specifieke TADF emitter42. Dit betekent dat het concept dat wordt gebruikt voor het moduleren van de elektrische eigenschappen van de EML met behulp van oplossingsdepositie effectief geldig lijkt te zijn. Enige degradatie werd waargenomen voor toegepaste spanningen hoger dan 15 V, wat overeenkomt met het bekende verbreken van chemische bindingen als gevolg van een hoge elektrische dragerdichtheid.

De uitleg van deze resultaten is interessant. Volgens de concepten en analyse beschreven in de inleiding, werd een elektrisch uitgebalanceerd en efficiënt apparaat verkregen, ondanks de eenvoudige structuur. Met de samenstelling in het EML werd modulatie van de elektrische mobiliteit berekend om een dragerprofiel te verkrijgen dat geschikt is voor de best mogelijke exciton-recombinatie. Twee eenvoudige n-type- of p-type-only apparaten werden voorbereid volgens een gepubliceerde procedure45, en de mobiliteiten voor de actieve laag waren μn = 6,27 x 10-8 cm2 V-1 s-1 en μp = 4,76 x 10-7 cm2 V-1 s-1.

Met oplossingsdepositie kan een eenvoudig elektrisch gebalanceerd apparaat worden bereikt, omdat de elektrische eigenschappen van de EML kunnen worden gemoduleerd door de juiste aanpassingen en afstemming van de depositieparameters. Afhankelijk van de te testen stralers kan dit concept eenvoudig worden aangepast voor de verdere ontwikkeling van oplossingsmatige OLED's.

Figure 1
Figuur 1: Protocol schematisch. De gebruikte patroonsubstraten met de ITO-strips. In elk substraat werden zes OLED's met afzonderlijke gebieden van 4 mm2 geproduceerd. Een eenvoudig schema van het depositieproces met behulp van de spin coater-techniek wordt getoond. Het hoofdgedeelte van de gedeponeerde film toont de gebieden die moeten worden gereinigd, zodat de elektrische contacten nauwkeurig kunnen worden gepositioneerd wanneer ze worden verdampt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Typische kalibratiecurve van de spincoater. In dit geval, en voor de actieve laag, wordt een vaste tijd van 60 s gebruikt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: AFM-beeld van PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% wt) 50 nm dunne film uit chloorbenzeenoplossing. De film werd afgezet met behulp van spincoating zoals beschreven in het protocol. De RMS-waarde is slechts 0,309 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Verdampingsschema. (A) Verdampingsmasker dat bovenop de gedeponeerde films wordt aangepast. Meestal zijn ze vooraf ontworpen voor specifieke ondersteuning. (B) Schematische weergave van de verdampingskamer met verschillende smeltkroezen. Het type, het aantal en de locatie zijn afhankelijk van de specifieke apparatuur. De sensoren voor diktemetingen worden in de buurt van de smeltkroezen geplaatst. Bovenop herbergt de monsterhouder de substraathouder met maskers. (C) Definitieve schema's (en typische fotografie) van de geproduceerde OLED. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Belangrijkste cijfers van verdienste van de geproduceerde groene OLED's. (A) De gebruikelijke stroomdichtheid (J), toegepaste spanning (V) en helderheid (L). (B) Stroom- en energie-efficiëntie als functie van de stroomdichtheid. (C) De EQE als functie van de helderheid om de roll-off te evalueren. (D) De elektroluminescentiespectra bij 10 V (inclusief het beeld van de OLED's). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het protocol dat hier wordt gebruikt om een efficiënte OLED in een eenvoudige apparaatstructuur te fabriceren, is relatief eenvoudig. De elektrische mobiliteit wordt niet alleen gemoduleerd door de materiaalsamenstelling van een apparaatlaag, maar is ook kritisch afhankelijk van de filmmorfologie. Voorbereiding van de oplossingen en een geschikte keuze van oplosmiddel en concentratie zijn belangrijk. Er kan geen materiaalaggregatie plaatsvinden, wat volledige oplosbaarheid op nanometrische schaal impliceert. Het is ook belangrijk om de viscositeit van de oplossing te observeren. Een hoge viscositeit leidt tot een hoge contacthoek van de oplossing op het substraat, en het tegenovergestelde is ook mogelijk. In beide gevallen kan een niet-homogene film worden gevormd door spincoating. Bovendien moet het starten van de rotatie van de spincoater worden vermeden voordat de oplossing valt. Ten slotte is een automatisch systeem voor het laten vallen van de oplossing in de spincoater een optie, wat voordelig is voor een goede dunne filmafzetting. Anders is het noodzakelijk om te garanderen dat de micropipette zo loodrecht mogelijk blijft (gerelateerd aan substraat) bij het laten vallen van de oplossing. Bovendien moet het onmiddellijk worden verwijderd wanneer alle oplossing is gevallen om extra kleine druppels te voorkomen wanneer de spin coater begint.

Zoals vermeld in de inleiding, kunnen niet alle materialen gemakkelijk worden gedeponeerd met behulp van het oplossingsproces. Gelukkig kunnen de meeste apparaten worden vervaardigd met behulp van het hier beschreven protocol. Verdere verbetering van de cijfers van verdienste kan worden bereikt, wat sterk afhankelijk is van goede filmvorming (zelfs op de moleculaire stapelschaal). De totale elektrische eigenschappen zijn hiervan afhankelijk. Naast de eenvoud van de methode, is de absolute reproduceerbaarheid van het apparaat met behulp van spincoatingmethoden bijna 50% te wijten aan menselijke fouten. Ook kan het niet worden gebruikt voor substraten met een groot oppervlak.

Ten slotte kunnen alle stappen die in het protocol worden beschreven, worden gezien als het gemeenschappelijke kader voor het produceren van stabiele, efficiënte en eenvoudige OLED's. Gezien de trend naar geprinte elektronica is dit werk van groot belang voor toekomstige toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs willen graag het "EXCILIGHT" -project erkennen van het Horizon 2020-onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie onder de Marie Sklodowska-Curie-subsidieovereenkomst nr. 674990. Dit werk werd ook ontwikkeld in het kader van het project i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, gefinancierd door nationale fondsen via de 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 solution deposited devices figures of merit roll-off organic electronics engineering thermisch geactiveerde vertraagde fluorescentie low-complex device structure simple OLED fabrication process
Ontwikkeling van efficiënte OLED's vanuit solution deposition
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