W tym artykule opisujemy metody elektrochemiczne, elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz ultrafioletowo-widzialnego i bliskiej podczerwieni spektroelektrochemiczne do analizy związków organicznych do zastosowania w elektronice organicznej.
Artykuł metodologiczny
W tym artykule opisujemy metody elektrochemiczne, elektronowego rezonansu paramagnetycznego oraz ultrafioletowo-widzialnego i bliskiej podczerwieni spektroelektrochemiczne do analizy związków organicznych do zastosowania w elektronice organicznej.
Woltamperometria cykliczna (CV) to technika stosowana w analizie związków organicznych. Kiedy ta technika jest połączona ze spektroskopiami elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) lub ultrafioletowo-widzialnym i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR), uzyskujemy przydatne informacje, takie jak powinowactwo elektronowe, potencjał jonizacji, energie przerwy energetycznej, rodzaj nośników ładunku i informacje o degradacji, które można wykorzystać do syntezy stabilnych organicznych urządzeń elektronicznych. W niniejszej pracy przedstawiono metody elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne służące do analizy procesów zachodzących w warstwach czynnych urządzenia organicznego oraz generowanych nośnikach ładunku.
Na całym świecie, naukowcy nieustannie poszukują nowych materiałów organicznych, które mogą być używane w elektronice organicznej o pożądanej wydajności lub stabilności, która spada wraz z długotrwałym użytkowaniem. W przypadku urządzeń organicznych ważne jest, aby zrozumieć zachowanie nośnika ładunku, aby w pełni poznać zasady rządzące zachowaniem urządzenia. Analiza wpływu struktury molekularnej na wytwarzanie nośnika ładunku oraz dynamikę i utrzymanie równowagi wstrzykiwanych nośników ładunku, zarówno dodatnich (), jak i ujemnych (elektrony), ma kluczowe znaczenie dla poprawy wydajności i stabilności urządzeń organicznych. Zapewnia to efektywną rekombinację tych pojedynczych ładunków, a w konsekwencji znacznie poprawia wydajność fotoluminescencji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED)1,2. W przypadku organicznych tranzystorów fotowoltaicznych (OPV)3,4 oraz organicznych tranzystorów polowych (OFET)5,6, konieczne jest posiadanie materiałów o dużej mobilności nośnika ładunku. Oprócz analizy nośników ładunku, kilka ważnych parametrów organicznych materiałów elektroaktywnych pomaga w przewidywaniu, gdzie materiał może być wykorzystany: potencjał jonizacji (IP), poziomy energii powinowactwa elektronów (EA) i przerwa energetyczna między nimi7,8,9,10.
W tej pracy prezentujemy metodę efektywnego pomiaru cyklicznej woltamperometrii (CV), która może być wykorzystana w analizie wszystkich rodzajów materiałów elektroaktywnych. Technika ta dostarcza informacji o właściwościach redoks, mechanizmie domieszkowania/dedopingowania, stabilności, konwersji i magazynowaniu energii itp. Pozwala również na oszacowanie powinowactwa elektronowego i energii jonizacji badanych związków w znacznie tańszy i szybszy sposób w porównaniu z innymi metodami wysokiej próżni. Powyższe parametry korelują z poziomami energii najwyższego zajętego orbitalu molekularnego (HOMO) i najniższego niezajętego orbitalu molekularnego (LUMO).
Metoda przedstawiona w tym artykule może być użyta do analizy wszystkich typów sprzężonych związków, takich jak te z delokalizowanymi π-elektronami w swoich strukturach. Związki sprzężone mogą być małymi cząsteczkami o dużych łańcuchach polimerowych. Małe cząsteczki mogą być również monomerami; Podczas początkowej reakcji (fotochemicznej, elektrochemicznej lub chemicznej) monomery mogą tworzyć polimery. W zastosowaniach OLED wartości poziomu energii są niezbędne, aby umożliwić użycie właściwego hosta dla emitera w termicznie aktywowanym systemie opóźnionej fluorescencji (TADF) lub zdecydować, z jakich związków można utworzyć warstwę donor-akceptor ekscipleksu i jakie dodatkowe warstwy (warstwa transportująca elektrony (ETL), warstwa transportująca dziurę (HTL), warstwa blokująca elektrony (EBL), i warstwa blokująca otwory (HBL)) będą niezbędne do syntezy stabilnych, wydajnie naładowanych, zrównoważonych urządzeń OLED11,12,13,14,15,16,17. Dodatkowe pomiary elektrochemiczne pozwalają na zbadanie możliwych reakcji ubocznych zachodzących w procesie degradacji warstwy aktywnej i powstawania nisko ruchomych nośników ładunku (bipolaronów)18,19,20,21,22.
Sprzężenie metod elektrochemicznych i spektroelektrochemicznych pozwala na łatwe, dokładne i niezawodne określenie stopnia utlenienia lub redukcji sprzężonych związków i ich potencjału degradacji, co jest kluczowe dla stabilności23,24,25,26,27,28. Spektroskopia ultrafioletowo-widzialna i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) w połączeniu z elektrochemią może scharakteryzować podstawowe właściwości chromatyczne wszystkich nowych sprzężonych związków, takie jak zmiana pasma absorpcji podczas domieszkowania18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30.
W badaniu związanym z mechanizmem dopingu, ważne jest zdefiniowanie rodzaju nośników ładunku. W procesie tym biorą udział dwie klasy naładowanych kwazicząstek, jedna o nieskompensowanym spinie (polarony), a druga o diamagnetycznym spinie (bipolarony); Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) stanowi nieocenioną pomoc, która bezpośrednio pozwala obserwować i śledzić zmiany w populacjach polaronów paramagnetycznych29,30,31,32. W małych cząsteczkach trudno jest tworzyć bipolarony, ale cząsteczki te mogą być dość sprzężone i mają właściwości indukujące bipolarony; Ważne jest, aby sprawdzić, czy i przy jakim potencjale w strukturze powstają polarony i bipolarony. Bipolarony mają co najmniej o jeden rząd niższą ruchliwość niż polarony; w związku z tym, jeśli bipolarony powstają w działających urządzeniach, może to prowadzić do niezrównoważonego stosunku nośników ładunku, co skutkowałoby wysokim prądem i przegrzaniem urządzenia OLED lub może być centrum degradacji33.
Metoda pomiaru zaproponowana w tym badaniu jest tania i szybsza oraz pozwala na określenie najbardziej wartościowych parametrów operacyjnych dla dużej liczby materiałów elektroaktywnych bez potrzeby stosowania specjalnych urządzeń opartych na nowo zsyntetyzowanych materiałach do sprawdzania ich wydajności. Stosując elektrochemię i spektroelektrochemię, można wybrać jeden materiał, który jest naprawdę obiecujący spośród setek nowych materiałów. Ponadto możliwe jest uzyskanie szczegółowych informacji na temat procesów dopingowania i ich wpływu na strukturę chemiczną testowanych układów sprzężonych z wykorzystaniem metod elektrochemicznych i spektroelektrochemicznych, co pozwala na konstruowanie bardziej wydajnych urządzeń elektroniki organicznej.
1. Przygotowanie do eksperymentu
2. Analiza CV
(1)
Czy potencjał utleniania został skalibrowany względem ferrocenu?*
(2)
czy potencjał redukcji został skalibrowany względem ferrocenu* 3. Analiza spektroelektrochemiczna UV-Vis-NIR
(3)
(4)
(5)
(6)4. Analiza spektroelektrochemiczna EPR
(7)
(8)
(9)
(10)Najczęstszym zastosowaniem analizy CV jest szacowanie IP oraz EA. Choć istnieje kilka sposobów pozyskiwania danych CV, zdecydowanie zaleca się ich obliczanie na podstawie początku peaków redoks (Rycina 3). Podejście to pozwala na ujednolicenie procedury obliczeniowej. Nie wszystkie badane materiały ulegają odwracalnym procesom utleniania/redukcji (Rycina 3); w takich sytuacjach nie jest możliwe dokonywanie obliczeń na podstawie potencjałów średnich (średniej z potencjałów odpowiadających maksimum peaków redukcji katodowej i utleniania anodowego). Niemniej jednak, prawie zawsze możliwe jest poprowadzenie stycznej do peaku, jak pokazano na Rycynie 3. Wyznaczając punkt przecięcia z linią tła i stosując Równania 1 i 2, wartości IP i EA szacuje się odpowiednio na 5.35 eV i −2.90 eV. Istnieje również kilka różnych skal używanych do oceny IP i EA na podstawie pomiarów CV. Najczęściej stosowanymi skalami dla materiałów organicznych są wartości −4.8 i −5.1 eV jako ekwiwalenty 0.00 V względem normalnej elektrody wodorowej (NHE). Należy jednak pamiętać, że wszystkie te skale są jedynie przybliżeniem, co należy wziąć pod uwagę przy porównywaniu różnych wyników. Kluczowe jest określenie, jakie parametry przyjęto do obliczeń. W tym przypadku wybrano wartość −5.1 eV, ponieważ powinna ona odpowiadać potencjałowi formalnemu pary redoks ferrocenu; w skali Fermiego wynosi on 0.40 V względem nasyconej elektrody kalomelowej (SCE) w acetonitrylu, co jest zgodne z poprzednim pomiarem.
Opublikowano wiele artykułów dotyczących analizy CV. W niniejszej pracy pokazujemy sytuację, w której proces nie przebiega zgodnie z oczekiwaniami. Analiza opiera się na pochodnej tiofenu: NtVTh (struktura przedstawiona na Rysunku 4), która ulega degradacji podczas utleniania (Rysunek 5).
NtVTh wykazuje dwa potencjały utleniania: pierwszy przy 0,70 V i drugi przy 0,84 V (Rycina 5). Podczas pierwszego cyklu nie obserwuje się piku redukcji, co wskazuje na proces nieodwracalny. Charakterystyka elektrochemiczna NtVTh wykazuje, że polimeryzacja nie zachodzi, a po osiągnięciu pierwszego potencjału utleniania na powierzchni elektrody osadza się elektro-nieaktywna warstwa produktów reakcji, co hamuje proces polimeryzacji. Widoczna jest reakcja kationu rodnikowego w wiązaniu winylowym, w której cząsteczka traci sprzężenie i tworzy dimery na elektrodzie.
Choć wyodrębnienie informacji o nośnikach ładunku z CV jest trudne, możliwe jest rozróżnienie polaronów od bipolaronów przy wsparciu spektrometrem UV-Vis-NIR. Neutralny poly(OiPrThEE) charakteryzował się dwoma szerokimi pasmami przejść absorpcyjnych π|π* z maksimami przy λmax1 = 363 nm i λmax2 = 488 nm, związanymi z formą aromatyczną niedopowanego pochodnego politiofenu. Podczas domieszkowania oksydacyjnego powstają nowe pasma polaronowe i bipolaronowe. Widmo UV-Vis uzyskane podczas utleniania poly(OiPrThEE) wykazało zanikanie pasma absorpcyjnego neutralnego polimeru (300-550 nm) (Rycina 6) wraz z formowaniem się nowego pasma absorpcyjnego (550-950 nm) kationów rodnikowych bitiofenu i p-fenyleniewinylenu z maksimum przy 692 nm. Punkt izobestyczny procesu utleniania znajdował się przy 604 nm. Pasmo bipolaronowe pojawiło się między 950 nm a 1700 nm z maksimum położonym przy 1438 nm.
Spektroskopia EPR jest techniką wykrywającą materiały z niesparowanym elektronem, do których należą rodniki organiczne39. Z widm EPR można wyekstrahować kilka parametrów, jednak jednym z najciekawszych jest oszacowanie lokalizacji rodników. Elektrony, podobnie jak protony, posiadają spin. Umieszczenie elektronu w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje rozszczepienie spinu w dwa sposób: równolegle i antyrównolegle do pola magnetycznego, co wyznacza dwa poziomy energetyczne. Zjawisko to jest znane jako efekt Zeemana40,41. W przypadku rodników organicznych niesparowany elektron oddziałuje nie tylko z zewnętrznym polem magnetycznym, ale także z jądrami magnetycznymi (jądrami o niezerowym spinie; I≠0). Liczba zdegenerowanych poziomów energetycznych wynosi 2I + 1, gdzie I jest kwantową liczbą spinową jądra, z którym oddziałuje niesparowany elektron42. Oddziaływanie niesparowanego elektronu z większą liczbą jąder magnetycznych prowadzi do dalszego rozszczepienia poziomów energetycznych i rejestracji struktury hiperprecyzyjnej widm EPR43 (Rycina 7).
W przypadku cząsteczek, w których niesparowany elektron oddziałuje z jeszcze większą liczbą jąder, poszczególne linie spektralne mogą się nakładać, co skutkuje rejestracją pojedynczego, szerokiego sygnału44,45,46 (Rysunek 8). Jest to typowe dla polimerów sprzężonych, w których jon rodnikowy generowany podczas procesu redoks ulega delokalizacji47,48.
Połączenie spektroskopii EPR z metodami elektrochemicznymi umożliwia charakterystykę nośników ładunku (jonów rodnikowych) generowanych podczas procesu redoks, a także określenie mechanizmu tych procesów49,50. Jeśli zarejestrowane zostaną widma o dobrej rozdzielczości (piki są oddzielone, a nie występują w formie jednego szerokiego piku), jak w przypadku redukcji elektrochemicznej pochodnej s-tetrazyny (Ryc. 7), analiza struktury nadsubtelnej widm pozwala na sformułowanie wniosków dotyczących lokalizacji niesparowanego elektronu. Jednym ze sposobów analizy tego rodzaju widm jest przeprowadzenie symulacji za pomocą specjalistycznego oprogramowania i dopasowanie widma symulowanego do eksperymentalnego51. Jest to szczególnie pomocne, gdy struktura nadsubtelna jest złożona ze względu na oddziaływanie niesparowanego elektronu z dużą liczbą protonów. W przypadku pochodnej s-tetrazyny przedstawionej na Ryc. 7, symulacja widm EPR (linia czerwona) wskazuje na oddziaływanie niesparowanego elektronu z czterema atomami azotu w pierścieniu s-tetrazyny.

Rysunek 1: Ogniwa elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne wykorzystywane do pomiarów. Na rysunku przedstawiono schemat budowy ogniw elektrochemicznych/spektroelektrochemicznych stosowanych w pomiarach woltamperometrii cyklicznej, spektroelektrochemii w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) oraz spektroelektrochemii rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Woltamperometria cykliczna (CV) prawidłowo zmierzonego związku COPO1 (a) oraz CV z niestabilnym potencjałem odniesienia dibenzothiophene-S,S-dioxide z ferrocenem (b)52. Rysunek przedstawia dwa woltamperogramy cykliczne. (a) prezentuje prawidłowo zarejestrowaną CV, a (b) pokazuje woltamperogram zarejestrowany przy użyciu elektrody odniesienia o niestabilnym potencjale. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Woltamperometria cykliczna (CV) związku COPO1 w szerokim zakresie potencjałów. Szacowanie potencjałów początku procesu dla obliczeń EA i IP związków COPO152. EA=−2.90 eV i IP = 5.35 eV. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4. Sześciolinijkowe widmo EPR wzorca manganu. Sygnał paramagnetyczny manganu wykorzystany do kalibracji przesunięcia sygnału. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Woltamperometria cykliczna (CV) związku NtVTh. Woltamperogramy cykliczne 15 mM NtVTh w 0,1 M Bu4NBF4/CH3CN w odniesieniu do standardu ferrocenu, przedstawiające proces degradacji zachodzący na elektrodzie roboczej. Szybkość skanowania 0,05 V/s: (a) pomiar wykonany w zakresie od −1,4 V do 0,8 V oraz (b) w zakresie od −1,4 V do 0,9 V. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Spektroelektrochemia w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR) pochodnej poly(OiPrThEE). Widma UV-Vis-NIR przedstawiające ewolucję pasma absorpcji podczas generowania nośników ładunku w strukturze polimeru. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 7: Analiza spektroelektrochemiczna EPR pochodnej tetrazyny. (a) Struktura pochodnej s-tetrazyny; (b) Widma EPR zarejestrowane podczas redukcji elektrochemicznej pochodnej s-tetrazyny (linia czarna – widmo eksperymentalne, linia czerwona – widmo symulowane). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 8: Spektroelektrochemiczny sygnał polaronu EPR polimeru sprzężonego. Widma rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR) zarejestrowane podczas pierwszego etapu utleniania polimeru sprzężonego (widma EPR gatunków polaronowych). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Woltamperometria cykliczna (CV) ferrocenu i decametyloferrocenu. Porównanie dwóch standardów elektrochemicznych w formie czystej oraz mieszaniny, wykazujące przesunięcie potencjału. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Techniki elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne nie mają ograniczeń; Za pomocą tych technik można analizować zarówno roztwory w stanie stałym, jak i ciekłe w szerokim zakresie temperatur i innych warunków. Ważną rzeczą we wszystkich tych przypadkach jest to, że związki/materiały są analizowane pod kątem zastosowanego potencjału, odtwarzając rzeczywiste warunki pracy organicznych urządzeń elektronicznych. Jedyna różnica polega na tym, że w elektrochemii obserwuje się tworzenie nośników ładunku.
Przedstawione tu metody wskazują na przydatność analizy naładowanych nośników generowanych w związkach organicznych, które korelują z ich przydatnością w elektronice organicznej. Co więcej, techniki elektrochemiczne i spektroelektrochemiczne są tańsze i mniej wymagające niż typowe metody stosowane w analizie nośników ładunku, ale istnieją pewne krytyczne kroki i modyfikacje protokołu, które są potrzebne w zależności od uzyskanych wyników.
Podczas charakterystyki elektrochemicznej zawsze zaczynaj od określonego stężenia. Jeśli porówna się zestaw związków, wszystkie materiały muszą mieć to samo stężenie molowe. Najlepiej zacząć od stężenia 1 mM i szybkości skanowania 50 mV/s, jak wskazano w protokole w tym badaniu, ale dobrze jest znać stężenie próbki na obserwowanym zachowaniu elektrochemicznym. Zawsze staraj się zmierzyć co najmniej trzy skany. Pierwsze dwa skany są zwykle różne, ponieważ warunki początkowe (równowaga) są różne. Drugi i trzeci skan powinny być takie same. Jeśli drugi i trzeci skan są takie same, prawdopodobnie nie obserwuje się żadnych reakcji ubocznych w tym układzie (ryc. 2a). W procesie utleniania pojawia się nowy pik o niższym potencjale, co pokazuje, że materiał przewodzący został osadzony na WE 18,19,24,25,29,30,31,32. Jeśli wysokość dolnego piku wzrasta w kolejnych skanach, to prawdopodobnie sprzężony polimer został osadzony 18,19,24,25,29,30,31,32. Jeśli wszystkie prądy zmniejszają się w kolejnych skanach, oznacza to, że nieprzewodzący produkt degradacji został osadzony na elektrodzie. Jeśli zaobserwuje się bardzo mały pik przed głównym pikiem utleniania lub redukcji (szczególnie w przypadku polimerów), to prawdopodobnie jest to proces pułapkowania ładunku 19,23,31,34. Jeśli obserwuje się bardzo ostry pik utleniania lub redukcji dedopingu, to jest to prawdopodobnie spowodowane rozkładem struktur krystalicznych na elektrodzie powstałej w procesie elektrokrystalizacji podczas utleniania35.
Zawsze sprawdzaj zachowanie badanego związku przed, w trakcie i po szczytach redoks. Oznacza to, że należy zarejestrować co najmniej trzy skany CV: z górnym (w przypadku utleniania) lub dolnym potencjałem wierzchołkowym odpowiednio niższym lub wyższym, a następnie potencjałem maksimum piku, przy czym potencjał górnego lub dolnego wierzchołka jest ustawiony dokładnie na maksimum piku oraz o potencjałach wierzchołkowych wyższych (utlenienie) i niższych (redukcja) niż potencjał maksimum piku. Obserwowany proces może się różnić, a czasami teoretycznie można zaobserwować dwa procesy pod jednym pikiem. Zawsze porównuj zebrane cykliczne woltogramy elektrolitu (krok 2.6), ferrocenu (krok 2.9), związku (krok 2.13) i ferrocenu ze związkiem (krok 2.19); Jest kilka kwestii, które należy wziąć pod uwagę.
Zawsze porównuj sygnały CV elektrolitu i badanego związku, jeśli jakiekolwiek sygnały z elektrolitu są widoczne na cyklicznym woltammogromie mierzonego związku, wówczas elektrolit musi zostać wymieniony, ponieważ jego okno elektrochemiczne jest zbyt niskie lub elektrolit jest zanieczyszczony. Jeśli sygnał (para redoks) ferrocenu (krok 2.9) i ferrocenu ze związkiem (krok 2.19) znajduje się w tej samej pozycji, oznacza to, że wszystko jest wykonywane poprawnie. Jeśli piki są przesunięte między sobą, sprawdź RE i powtórz pomiar. Jeżeli sygnał (potencjał utleniania, redukcji lub pary redoks) badanego związku z dodatkiem ferrocenu (krok 2.19) ma wyższy potencjał niż sygnał czystego związku (etap 2.13), należy wziąć pod uwagę wartości (potencjał utleniania, redukcji lub pary redoks) z cyklicznego woltammogram czystego związku. Przesunięcie jest spowodowane większą ilością ferrocenu w roztworze. Gdy obserwuje się dwa procesy utleniania, pierwszy proces (utlenianie lub redukcja), który zawsze zachodzi na WE, może wpływać na powierzchnię czynną; może to spowodować wzrost potencjału utleniania drugiego procesu (rysunek 9).
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe projektu "Excilight" "Donor-Acceptor Light Emitting Exciplexes as Materials for Easy-to-tailor Ultra-efficient OLED Lightning" (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finansowanego przez działania Marie Skłodowska-Curie w ramach programu ramowego na rzecz badań i innowacji "Horyzont-2020".
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Potencjostat | Metrohm | Autolab PGSTAT100 | |
| EPR | JEOL | JES-FA200 | |
| Detektor UV-Vis | Oceanoptics | QE6500 | |
| Detektor NIR | Oceanoptics | NIRQuest | |
| Dichlorometan (DCM) | Sigma-Aldrich | 106048 | |
| Tetrafluoroboran tetrabutyloamonu (Bu4NBF4) | Sigma-Aldrich | 86896 | |
| 2-propanol, 99.9% | Sigma-Aldrich | 675431 | |
| Aceton, 99.9% | Sigma-Aldrich | 439126 | |
| Elma | S30H | ||
| Tetrahydrofuran >99.9% | Sigma-Aldrich | 401757 | |
| ferrocen >98% | Sigma-Aldrich | F408 | |
| dekametyloferrocen >97% | Sigma-Aldrich | 378542 |