Waiting
Login processing...

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

Engineering

Разработка эффективных OLED из осаждения раствора

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

Здесь представлен протокол для изготовления эффективных, простых, осажденных раствором органических светодиодов с низким откатом.

Abstract

Использование высокоэффективных органических излучателей, основанных на концепции термически активированной замедленной флуоресценции (TADF), интересно благодаря их 100% внутренней квантовой эффективности. Здесь представлен метод осаждения раствора для изготовления эффективных органических светодиодов (OLED) на основе излучателя TADF в простой структуре устройства. Этот быстрый, недорогой и эффективный процесс может быть использован для всех излучающих слоев OLED, которые следуют концепции «хозяин-гость». Описаны фундаментальные шаги вместе с необходимой информацией для дальнейшего воспроизведения. Цель состоит в том, чтобы создать общий протокол, который может быть легко адаптирован для основных органических излучателей, которые в настоящее время изучаются и разрабатываются.

Introduction

Увеличение органической электроники, используемой в повседневной жизни, стало непревзойденной реальностью. Среди нескольких органических электронных приложений OLED, пожалуй, самые привлекательные. Их качество изображения, разрешение и чистота цвета сделали OLED основным выбором для дисплеев. Кроме того, возможность достижения излучения большой площади в чрезвычайно тонких, гибких, легких и легко настраиваемых по цвету OLED имеет применение в освещении. Однако некоторые технологические проблемы, связанные с процессом изготовления на больших площадях излучателей, отложили дальнейшее применение.

С первым OLED, работающим при низких приложенных напряжениях1, были разработаны новые парадигмы для твердотельного освещения, хотя и с низкой внешней квантовой эффективностью (EQE). OLED EQE получается отношением излучаемых фотонов (света) к впрыскиваемым электрическим носителям (электрический ток). Простая теоретическая оценка максимального ожидаемого EQE равна ηx ηint 2. Внутренняя эффективность (ηint) может быть аппроксимирована ηint = γ x Equation 1 x ΦPL, где γ соответствует коэффициенту баланса заряда, ΦPL - квантовый выход фотолюминесценции (PLQY) и Equation 1 является эффективностью генерации эмиссивного экситона (пары электронных дырок). Наконец, ηявляется эффективность взаимодействия2. Если не рассматривать развязку, внимание сосредотачивается на трех темах: (1) насколько эффективен материал в создании экситонов, которые излучающе рекомбинируют, (2) насколько эффективны излучающие слои, и (3) насколько эффективна структура устройства в продвижении хорошо сбалансированной электрической системы3.

Чисто флуоресцентный органический излучатель имеет только 25% внутренней квантовой эффективности (IQE). Согласно спиновым правилам, радиационный переход от триплета к синглету (T→S) запрещен4. Поэтому 75% возбужденных электрических носителей не способствуют излучению фотонов5. Эта проблема была впервые преодолена с использованием переходных металлов в фосфоресцентных OLED органических излучателей 6,7,8,9,10, где, как сообщается, IQE был близок к 100%11,12,13,14,15,16 . Это связано со спин-орбитальной связью между органическим соединением и тяжелым переходным металлом. Недостатком таких излучателей является их высокая стоимость и плохая стабильность. Недавно сообщения о химическом синтезе чистого органического соединения с низкоэнергетическим разделением между возбужденными триплетными и синглетными состояниями (∆EST) Adachi17,18 породили новую структуру. Хотя это и не ново19, успешное использование процесса TADF в OLED позволило получить высокую эффективность без использования комплексов переходных металлов.

В таких безметалловых органических излучателях существует высокая вероятность того, что возбужденные носители в триплетном состоянии заселятся до синглетного состояния; таким образом, IQE может достичь теоретического предела 100%5,20,21,22. Эти материалы TADF обеспечивают экситоны, которые могут радиационно рекомбинировать. Однако эти излучатели требуют дисперсии в матричном хосте, чтобы избежать гашенияизлучения 3,20,21,23,24 в концепции хозяин-гость. Кроме того, его эффективность зависит от того, как хозяин (органическая матрица) присваивается гостевому (TADF)материалу 25. Кроме того, необходимо идеализировать структуру устройства (т.е. тонкие слои, материалы и толщину) для достижения электрически сбалансированного устройства (равновесия между дырками и электронами во избежание потерь)26. Достижение наилучшей хост-гостевой системы для электрически сбалансированного устройства имеет основополагающее значение для увеличения EQE. В системах на основе TADF это непросто из-за изменений подвижности электрических носителей в EML, которые нелегко настроить.

С помощью излучателей TADF значения EQE, превышающие 20%, легко получить 26,27,28,29. Однако структура устройства обычно состоит из трех-пяти органических слоев (дырочный транспорт/блокирующий и электрон-транспорт/блокирующий слои, HTL/HBL и ETL/EBL, соответственно). Кроме того, он изготовлен с использованием процесса термического испарения, который является дорогостоящим, технологически сложным и почти только для дисплеев. В зависимости от уровней HOMO (наивысшая занятая молекулярная орбиталь) и LUMO (самая низкая незанятая молекулярная орбиталь), электрической подвижности носителей и толщины, каждый слой может вводить, транспортировать и блокировать электрические носители и гарантировать рекомбинацию в эмиссионном слое (EML).

Снижение сложности устройства (например, простая двухслойная структура) обычно приводит к заметному снижению EQE, иногда до менее чем 5%. Это происходит из-за различной подвижности электронов и дырок в ЭМЛ, и устройство становится электрически несбалансированным. Таким образом, вместо высокой эффективности создания экситона эффективность эмиссии в ЭМЛ становится низкой. Более того, заметный откат происходит при сильном снижении EQE по мере увеличения яркости, из-за высокой концентрации экситонов при высоком приложенном напряжении и длительного времени жизни возбуждения 24,30,31. Преодоление таких проблем требует сильной способности манипулировать электрическими свойствами излучающего слоя. Для простой архитектуры OLED с использованием методов осаждения раствора электрические свойства ЭМЛ могут быть настроены с помощью параметров32 приготовления и осаждения раствора.

Методы осаждения растворов для устройств на органической основе ранее использовались31. Изготовление OLED, по сравнению с процессом термического испарения, представляет большой интерес из-за их упрощенной структуры, низкой стоимости и большой площади производства. При высоком успехе в комплексах переходных металлов OLED основной целью является увеличение площади излучения, но сохранение структуры устройства как можно более простой33. Такие методы, как рулонная (R2R)34,35,36, струйная печать 37,38,39 и слот-матрица40, были успешно применены в многослойном изготовлении OLED, что является возможным промышленным подходом.

Несмотря на то, что методы осаждения раствора для органических слоев служат хорошим выбором для упрощения архитектуры устройства, не все желаемые материалы могут быть легко осаждены. Используются два типа материалов: малые молекулы и полимеры. В методах осаждения раствора малые молекулы имеют некоторые недостатки, такие как плохая однородность тонкой пленки, кристаллизация и стабильность. Таким образом, полимеры в основном используются из-за способности образовывать однородные тонкие пленки с низкой шероховатостью поверхности и на больших, гибких подложках. Кроме того, материалы должны иметь хорошую растворимость в соответствующих растворителях (в основном органических, таких как хлороформ, хлорбензол, дихлорбензол и т.д.), воде или производных спирта.

Помимо проблемы растворимости, необходимо гарантировать, что растворитель, используемый в одном слое, не должен действовать как растворитель для предыдущего слоя. Это позволяет создать многослойную структуру, осажденную влажным процессом; однако существуют ограничения41. Наиболее типичная структура устройства использует некоторые слои, осажденные раствором (т.е. эмиссионный) и один термически испаряющийся слой (ETL). Кроме того, однородность и морфология тонких пленок сильно зависят от методов и параметров осаждения. Перенос электрического заряда через эти слои полностью регулируется такой морфологией. Тем не менее, компромисс между желаемым конечным устройством и совместимостью процесса изготовления должен быть разумно установлен. Корректировка параметров осаждения является ключом к успеху, несмотря на то, что это трудоемкая работа. Например, спиновое покрытие не является простым методом. Хотя это кажется простым, есть несколько аспектов образования тонкой пленки из раствора поверх вращающейся подложки, которые требуют внимания.

Помимо оптимизации толщины пленки, манипулирования скоростью вращения и временем (толщина является экспоненциальным затуханием обоих параметров), действия экспериментатора также должны быть скорректированы для получения хороших результатов. Правильные параметры также зависят от вязкости раствора, площади осаждения и смачиваемости/угла контакта раствора на подложке. Уникальных наборов параметров не существует. Только базовые допущения с конкретными корректировками решения/субстрата дают желаемые результаты. Кроме того, электрические свойства, которые зависят от молекулярной конформации и морфологии слоя, могут быть оптимизированы для достижения желаемых результатов в соответствии с протоколом, описанным здесь. После завершения процесс прост и осуществим.

Тем не менее, снижение сложности конструкции устройства приводит к максимальному снижению EQE; хотя компромисс может быть достигнут с точки зрения эффективности и яркости. Поскольку такой компромисс допускает практическое применение, избыток простого, совместимого с большой площадью и недорогого процесса может стать реальностью. В этой статье описываются эти требования и способы разработки рецепта для решения требуемых проблем.

Протокол фокусируется на зеленом TADF-излучателе 2PXZ-OXD [2,5-бис(4-(10H-феноксазин-10-ил)фенил)-1,3,4-окадиазол]42 в качестве гостя в матрице хозяина, состоящей из PVK [поли(N-винилкарбазол)] и OXD-7 [1,3-Бис[2-(4-трет-бутилфенил)-1,3,4-оксадиазо-5-ил]бензола], который соответствует ЭМЛ. Используется электронный транспортный слой (ETL) TmPyPb [1,3,5-три(м-пиридин-3-илфенил)бензол]. Оптимизированы рабочие функции анода и катода. Анод состоит из ITO (оксид индия-олова) с высокопроводящим полимером PEDOT:PSS [поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиронесульфонат)], а катод состоит из двойного слоя алюминия и LiF (фторида лития).

Наконец, как PEDOT: PSS, так и EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) наносятся спиновым покрытием, тогда как TmPyPb, LiF и Al испаряются термически. Учитывая проводящую металлоподобную природу PEDOT:PSS, устройство представляет собой типичный «двухорганический слой» в простейшей возможной структуре. В ЭМЛ гостевой TADF (10% мас.) диспергируют в хозяине (90% мас.), состоящем из PVK0,6+OXD-70,4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ВНИМАНИЕ: Следующие шаги включают использование различных растворителей и органических материалов, поэтому при обращении необходимо соблюдать надлежащий уход. Используйте вытяжной капюшон и защитное снаряжение, такое как лабораторные очки, маски для лица, перчатки и лабораторные халаты. Взвешивание материалов должно производиться точно с помощью высокоточной весовой машины. Для обеспечения чистоты подложек, осаждения раствора тонких пленок и испарения рекомендуется проводить все процедуры в контролируемой среде или перчаточном ящике. Перед использованием спин-коатера, микропипеток, термических испарителей, органических материалов и растворителей необходимо ознакомиться со всеми паспортами безопасности.

1. Подготовка решения «хозяин-гость»

  1. В двух небольших флаконах (объемом от 4 до 6 мл, очищенных изопропанолом и высушенных азотом) взвешивают матрицу хозяина, состоящую из 12 мг ПВК и 8 мг OXD-7. Начните с взвешивания OXD-7. Компенсируйте любое отклонение в весе с помощью PVK для достижения конечного соотношения 6:4 (PVK:OXD-7). Во втором флаконе взвесьте 10 мг излучателя 2PXZ-OXD TADF.
  2. Добавьте 2 мл хлорбензола во флакон с матрицей хозяина и 1 мл во флакон с материалом TADF. Если вес любых флаконов не совсем соответствует значениям, описанным выше, отрегулируйте объем хлорбензола в обоих флаконах для получения раствора с конечной концентрацией 10 мг/мл.
  3. Оставьте растворы перемешивать небольшими, очищенными магнитными перемешивателями в течение не менее 3 ч, чтобы обеспечить полное растворение материалов. Убедитесь, что флаконы надежно покрыты соответствующими колпачками и плотно закрыты органической химической безопасной пленкой, чтобы избежать испарения растворителей.

2. Очистка подложки

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обработки подложек используйте пару пинцетов, касаясь только угла (никогда не касайтесь середины подложек). Используемые здесь подложки имеют шесть предварительно узорчатых пикселей ITO (рисунок 1A).

  1. Получите предварительно узорчатые подложки ITO. Очищают субстраты в ультразвуковой ванне, содержащей 1% v/v раствор Хеллманекса в воде, ацетоне и 2-пропаноле (IPA), последовательно, в течение 15 мин в каждой ванне. Выполняют первую ванну примерно при 95 °C, а оставшуюся при комнатной температуре (RT). Наконец, высушите подложки, используя азотный флюс, чтобы удалить любые остатки чистящего растворителя.
  2. Перед изготовлением подвергайте подложки (пленку ITO, обращенную вверх) обработке УФ-озоном в течение 5 мин. Тщательно извлеките газы и убедитесь, что узорчатое лицо ITO подвергается воздействию ультрафиолета. Здесь используют очиститель озона (100 Вт, 40 кГц). Установите длину волны излучения УФ-ламп на 185 нм и 254 нм с высокой интенсивностью, низким давлением, ртутными парами газоразрядной лампы.

3. Спиновое покрытие

Это самый важный шаг этого протокола. Чтобы обеспечить однородность, однородность и отсутствие точечных отверстий в тонких пленках, все растворители должны быть отфильтрованы соответствующей фильтровальной бумагой. Следует обеспечить полное удаление излишков растворителей из подложек, чтобы избежать каких-либо замыканий в конечном устройстве. Для используемых здесь подложек удаление лишних материалов из узорчатого ITO и катода также важно для фиксации конечного пикселя, и это должно быть выполнено с высокой точностью, не нарушая активную область пикселя. Шаги, описанные ниже, должны быть выполнены для спинового покрытия тонких пленок. Окончательная толщина тонкой пленки будет варьироваться при использовании спин-коатера, отличного от того, который используется здесь.

  1. Подготовьте оборудование для отжима.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Перед использованием спин-коатера необходимо произвести калибровку кривой с параметрами осаждения и конечной толщиной, полученной для пленок. Это должно быть сделано для каждого используемого решения. Процедура включает в себя внесение нескольких отложений для одного и того же раствора, но с разными параметрами, а конечная толщина измеряется с помощью профилометра. На рисунке 2 показана типичная калибровочная кривая для активного слоя.
  2. Внесите PEDOT:PSS в качестве первого слоя поверх ITO. Фильтр PEDOT:PSS с помощью фильтра 0,45 мкм поливинилиденфторида (PVDF). Заполните микропипет 100 мкл PEDOT:PSS.
  3. Осторожно поместите подложку на отжимной коатер и активируйте вакуумную систему для фиксации подложки (рисунок 1B, C). Поверните ITO лицевой стороной вверх и отрегулируйте, чтобы максимально центрировать область подложки. Установите параметры для спинового покрытия на 5 000 об/мин в течение 30 с. Установите начальную ступень с помощью спин-коатера ~2–3 с при низком вращении (200–500 об/мин). Ожидается толщина 30 нм.
  4. Удерживая микропипет перпендикулярно подложке (рисунок 1D), опустите раствор (100 мкл) в середину подложки (рисунок 1D) и запустите спин-коатер (рисунок 1E).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не роняйте раствор слишком быстро или медленно, чтобы избежать риска неоднородного распространения раствора (в зависимости от вязкости угол контакта может быть неидеальным). Обычно капля раствора через ~ 1 с является идеальной. Не прикасайтесь к подложке микропипеткой, и постарайтесь синхронизировать между запуском спин-коатера и падением раствора. Если двухступенчатая настройка осаждения (как описано на этапе 3.3) недоступна, рассмотрите возможность статического осаждения: сначала опустите раствор, а затем сразу же запустите спин-коатер. Каплю раствора следует делать осторожно. Все растворы должны быть опущены в центр оси вращения и образовывать равномерное пятно, чтобы избежать неоднородностей во время процесса. Имейте в виду, что, хотя эти правила идеально подходят для хорошего осаждения пленки, технику спинового покрытия трудно оптимизировать (т. Е. Требует нескольких этапов предварительной оптимизации). Кроме того, это зависит от вязкости раствора, желаемой площади осаждения, того, как раствор опускается на подложку, и начала вращения. Пример хорошего образования пленки в микроскопическом масштабе можно увидеть на рисунке 3 в виде изображения AFM.
  5. Завершите шаг отжима (рисунок 1F). Выключите вакуум и пинцетом снимите подложку. С помощью мелкой ватной палочки, смоченной в воде (т.е. растворителя PEDOT:PSS; Рисунок 1G), удалите избыток осажденной пленки вокруг катодной и угловой областей с подложки, сохранив центральную пиксельную область нетронутой.
  6. Держите подложку в духовке или на конфорке при 120 °C в течение 15 минут, чтобы удалить растворитель PEDOT: PSS (воду). Достаньте из духовки или конфорки, переместите в перчаточный ящик и оставьте остывать до RT (рисунок 1H).
  7. Подготовьте раствор для EML. В новом чистом флаконе (см. этап 1.1), используя микропипетку, готовят новый раствор, состоящий из 1,8 мл раствора хозяина и 0,2 мл раствора TADF. Перед использованием раствора процедите его фильтром из PTFE 0,1 мкм.
  8. Оставьте новый раствор помешивать в течение 15 мин при RT.
  9. Следуя шагам 3,3–3,5, сделайте осаждение этого второго раствора в спин-коатер в перчаточном ящике. Вращение при 2 000 об/мин в течение 60 с. Ожидаемая толщина пленки должна составлять 50 нм. Чтобы удалить избыток второй пленки, используйте ватные палочки, пропитанные хлорбензолом.
  10. Оставьте подложки на конфорке внутри бардачка при 70 °C в течение 30 минут, чтобы полностью удалить избыток хлорбензола.
  11. Снимите подложки с конфорки и оставьте остывать до RT.
  12. Для принятия дополнительных мер предосторожности рассмотрите некоторые температурно-временные (косвенно, скорость испарения) испытания для различных растворителей. Морфология финальной пленки сильно зависит от этих параметров. Простой тест AFM может быть полезен для подтверждения того, что скорость испарения растворителя является адекватной. Окончательная структура нанесенных тонких пленок должна быть более или менее похожа на схему на рисунке 1I.

4. Испарение материалов

ПРИМЕЧАНИЕ: Для лучшего испарения минимальный требуемый вакуум обычно составляет давление ниже 5 x 10-5 мбар. Для всех органических материалов скорость испарения должна поддерживаться ниже 2 Å/s, чтобы уменьшить шероховатость и однородность слоев. Для LiF скорость испарения должна быть менее 0,2 Å/s. Несоблюдение этого требования может привести к неравномерным выбросам. Если это еще не сделано, запрограммируйте систему пьезоэлектрических датчиков (которая измеряет толщину осаждения и скорость испарения) с требуемыми параметрами, такими как 1) плотность материала, 2) Z-фактор: акустическая связь материала с датчиком и 3) фактор оснастки: геометрическая калибровка испарительного тигля по сравнению с держателем образца. Перед использованием испарителя обратитесь к спецификациям оборудования о том, как выполнять такие калибровки, и обратитесь к техническому описанию материалов для значений плотности и Z-фактора для конкретного материала. После программирования и без каких-либо изменений геометрии испарительной камеры (фактор оснастки) данные могут быть сохранены для будущего использования с теми же материалами.

  1. Вставьте подложки (пленки лицевой стороной вниз и после завершения этапа 3.11) в держатель образца с желаемой маской испарения (рис. 4А).
  2. Включите необходимые тигли (геометрия зависит от конкретной системы испарителя) и заполните каждый необходимым материалом (LiF, TmPyPb и Al). Подробное объяснение процесса термического испарения при разработке OLED можно найти в литературе43 и обсуждается далее в настоящем отчете.
  3. Поместите держатель подложки с образцами в держатель образцов испарителя (рисунок 4B). Закройте камеру и откачайте камеру испарителя. Следуйте соответствующим инструкциям для системы испарителя.
  4. Испаряют пленку TmPyPb толщиной 40 нм. Испаряют 2 нм LiF и 100 нм Al, последовательно. Для испарения следуйте опубликованной процедуре43.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Окончательная структура представлена на рисунке 4C. В текущей работе устройства не инкапсулированы. Для длительных экспериментов должна быть выполнена инкапсуляция, которая здесь не находится в центре внимания.

5. Характеристика устройства

ПРИМЕЧАНИЕ: Для характеристики конечного устройства используйте высокочувствительный измеритель напряжения, измеритель яркости и спектрометр. Если есть интегрирующая сфера, используйте ее. В противном случае поместите измеритель яркости перпендикулярно поверхностному излучению OLED на расстояние, указанное производителем и зависящее от фокусного объектива. Если не использовать интегрирующую сферу, можно предположить, что излучение OLED-устройства следует ламбертовскому профилю для расчета эффективности. Здесь построенная яркость не соответствует измеренной под интегрирующей сферой (таким образом, она будет как минимум в π раз меньше).

  1. Вставьте изготовленное OLED-устройство в тестовый держатель и сделайте электрические контакты для нужного пикселя. Измерьте ток (I), приложенное напряжение (V) и яркость (L). Полная информация об экспериментальной установке была объяснена ранее43.
  2. С помощью спектрометра измеряют спектры электролюминесценции (EL) при различных приложенных напряжениях в диапазоне, соответствующем динамическому диапазону операции44 OLED. Возьмите по крайней мере три-четыре спектра. Здесь используются приложенные напряжения 5 В, 10 В и 15 В.
  3. Используя необходимое программное обеспечение, рассчитайте плотность тока (Дж), КПД тока (μc кандела/Ампер), энергоэффективность (ηp, люмен/Вт) и внешнюю эффективность (EQE). С помощью спектров электролюминесценции определите цветовые координаты CIE. Подходящая информация о том, как рассчитать все эти показатели заслуг, была описана ранее44.
  4. График указанных данных. Выполните критический анализ результатов с точки зрения эффективности и яркости. Посмотрите спектры электролюминесценции и попытайтесь установить модель, чтобы понять результаты.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 5 показаны основные результаты для изготовленного устройства. Напряжение включения было чрезвычайно низким (~ 3 В), что является интересным результатом для устройства с двумя органическими слоями. Максимальная яркость составляла около 8000 кд/м2 без использования интегрирующей сферы. Максимальные значения для ηc, ηp и EQE составляли около 16 кд/А, 10 лм/Вт и 8% соответственно. Хотя результаты не являются лучшими показателями достоинств для этого излучателя TADF, они были лучшими в такой простой структуре устройства, использующего этот излучатель с помощью метода процесса решения.

Максимальный EQE в 14,9% был зарегистрирован в пятислойном термически испаряемом OLED для того же излучателя42. Важно отметить, что EQE показал относительно низкое поведение отката (около 7,5% для L = 100 кд/м2 и ~6% для L = 1000 кд/м2), и такие значения отката являются наилучшими для этого конкретного TADF-излучателя42. Это означает, что концепция, используемая для модуляции электрических свойств ЭМЛ с использованием осаждения раствора, представляется эффективной. Некоторое ухудшение наблюдалось для приложенных напряжений выше 15 В, что соответствует известному разрыву химических связей из-за высокой плотности электрического носителя.

Объяснение этих результатов интересно. Следуя концепциям и анализу, описанным во введении, было получено электрически сбалансированное и эффективное устройство, несмотря на простую структуру. С композицией в ЭМЛ модуляцию электрической подвижности рассчитывали для получения профиля носителя, адекватного наилучшей возможной рекомбинации экситона. Два простых устройства только n-типа или p-типа были подготовлены в соответствии с опубликованной процедурой45, и подвижности для активного слоя были μn = 6,27 x 10-8 см2 V-1 s-1 и μp = 4,76 x 10-7 см2 V-1 s-1.

При осаждении раствора может быть достигнуто простое электрически сбалансированное устройство, поскольку электрические свойства ЭМЛ могут модулироваться от правильной регулировки и настройки параметров осаждения. В зависимости от излучателей, подлежащих тестированию, эта концепция может быть легко адаптирована для дальнейшей разработки OLED-дисплеев, обработанных раствором.

Figure 1
Рисунок 1: Схема протокола. Используются узорчатые подложки с полосками ITO. В каждой подложке было изготовлено шесть OLED с отдельными площадями 4мм2 . Показана простая схема процесса осаждения с использованием техники спин-коатера. Основная область осажденной пленки показывает области, подлежащие очистке, чтобы электрические контакты могли быть точно расположены при испарении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Типичная калибровочная кривая спин-коатера. В этом случае и для активного слоя используется фиксированное время 60 с. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: AFM изображение PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% масс.) тонкой пленки 50 нм из раствора хлорбензола. Пленку наносили с использованием спинового покрытия, как описано в протоколе. Значение RMS составляет всего 0,309 нм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Схема испарения. (A) Испарительная маска, которая регулируется поверх нанесенных пленок. Как правило, они предварительно разработаны для конкретных опор. (B) Схема испарительной камеры с различными тиглями. Тип, количество и местоположение зависят от конкретного оборудования. Датчики для измерения толщины размещены рядом с тиглями. Сверху держатель образца вмещает держатель подложки с масками. (C) Окончательные схемы (и типичная фотография) производимого OLED. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Основные показатели достоинств производимых зеленых OLED. (A) Обычная плотность тока (J), приложенное напряжение (V) и яркость (L). (B) Ток и энергоэффективность в зависимости от плотности тока. (C) EQE в зависимости от яркости для оценки отката. D) спектры электролюминесценции при 10 В (включая изображение OLED). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Протокол, используемый здесь для изготовления эффективного OLED в простой структуре устройства, относительно прост. Электрическая подвижность не только модулируется материальным составом слоя устройства, но и критически зависит от морфологии пленки. Важно приготовление растворов и подходящий выбор растворителя и концентрации. Агрегация материала не может произойти, подразумевая полную растворимость в нанометрическом масштабе. Также важно соблюдать вязкость раствора. Высокая вязкость приводит к высокому углу контакта раствора с подложкой, а возможно и обратное. В обоих случаях неоднородная пленка может быть образована спиновым покрытием. Кроме того, следует избегать начала вращения спин-коатера перед падением раствора. Наконец, автоматическая система для опускания раствора в спин-коатер является опцией, которая выгодна для хорошего тонкопленочного осаждения. В противном случае необходимо гарантировать, что микропипетка остается максимально перпендикулярной (связанной с субстратом) при опускании раствора. Кроме того, он должен быть немедленно удален, когда весь раствор опущен, чтобы избежать лишних мелких капель при запуске спин-коатера.

Как упоминалось во введении, не все материалы могут быть легко нанесены с помощью процесса раствора. К счастью, большинство устройств могут быть изготовлены с использованием протокола, описанного здесь. Может быть достигнуто дальнейшее улучшение показателей заслуг, что сильно зависит от хорошего образования пленки (даже в масштабе молекулярного укладки). От этого зависят общие электрические свойства. Помимо простоты метода, абсолютная воспроизводимость устройства с использованием методов спинового покрытия составляет почти 50% из-за человеческой ошибки. Также его нельзя использовать для подложек большой площади.

Наконец, все шаги, описанные в протоколе, можно рассматривать как общую основу для создания стабильных, эффективных и простых OLED. Учитывая тенденцию к печатной электронике, эта работа имеет большое значение для будущих применений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы отметить проект «EXCILIGHT» из исследовательской и инновационной программы Европейского Союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри No 674990. Эта работа также была разработана в рамках проекта i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, финансируемого национальными фондами через 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

Инженерия Выпуск 189 OLED устройства нанесенные на растворы показатели качества отката органическая электроника термически активированная замедленная флуоресценция низкосложная структура устройства простой процесс изготовления OLED
Разработка эффективных OLED из осаждения раствора
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