Waiting
Login processing...

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

Engineering

Udvikling af effektive OLED'er fra løsningsaflejring

Published: November 4, 2022 doi: 10.3791/61071
Automatic Translation
1,2, 1
1Department of Physics and i3N, Institute for Nanostructures, Nanomodulation and Nanofabrication, University of Aveiro, 2CeNTI, Centre for Nanotechnologies and Smart Materials

Summary

Her præsenteres en protokol til fremstilling af effektive, enkle, opløsningsaflejrede organiske lysemitterende dioder med lav afgang.

Abstract

Brugen af højeffektive organiske emittere baseret på det termisk aktiverede forsinkede fluorescenskoncept (TADF) er interessant på grund af deres 100% interne kvanteeffektivitet. Præsenteret her er en løsningsaflejringsmetode til fremstilling af effektive organiske lysemitterende dioder (OLED'er) baseret på en TADF-emitter i en simpel enhedsstruktur. Denne hurtige, billige og effektive proces kan bruges til alle OLED-emissive lag, der følger værts-gæstekonceptet. De grundlæggende trin beskrives sammen med nødvendige oplysninger til yderligere reproduktion. Målet er at etablere en generel protokol, der let kan tilpasses til de vigtigste organiske udledere, der i øjeblikket undersøges og udvikles.

Introduction

Stigningen i organisk elektronik, der anvendes i dagligdagen, er blevet en uovertruffen virkelighed. Blandt flere organiske elektroniske applikationer er OLED'er måske de mest attraktive. Deres billedkvalitet, opløsning og farverenhed har gjort OLED'er til et primært valg til skærme. Desuden har muligheden for at opnå stor arealemission i ekstremt tynde, fleksible, lette og nemme farveindstillelige OLED'er anvendelser inden for belysning. Imidlertid har nogle teknologiske problemer i forbindelse med fremstillingsprocessen i store områdeudledere udskudt yderligere anvendelse.

Med den første OLED, der arbejder ved lave påførte spændinger1, er der designet nye paradigmer til solid state-belysning, dog med lav ekstern kvanteeffektivitet (EQE). OLED EQE opnås ved forholdet mellem udsendte fotoner (lys) og injicerede elektriske bærere (elektrisk strøm). Et simpelt teoretisk skøn for den maksimale forventede EQE er lig med ηud x ηint 2. Den interne effektivitet (ηint) kan tilnærmes ved ηint = γ x Equation 1 x Φ PL, hvor γ svarer til ladningsbalancefaktoren, ΦPL er fotoluminescenskvanteudbyttet (PLQY) og Equation 1 er effektiviteten af emissiv exciton (elektronhulspar) generation. Endelig er ηud afkoblingseffektiviteten2. Hvis afkobling ikke overvejes, er opmærksomheden fokuseret på tre emner: (1) hvor effektivt materialet er til at skabe excitoner, der radiativt rekombinerer, (2) hvor effektive de emissive lag er, og (3) hvor effektiv enhedsstrukturen er til at fremme et velafbalanceret elektrisk system3.

En rent fluorescerende organisk emitter har kun 25% intern kvanteeffektivitet (IQE). Ifølge spin-reglerne er den strålende overgang fra en triplet til en singlet (T→S) forbudt4. Derfor bidrager 75% af de ophidsede elektriske bærere ikke til emissionen af fotoner5. Dette problem blev først overvundet ved hjælp af overgangsmetaller i organiske emitterfosforescens OLED'er 6,7,8,9,10, hvor IQE angiveligt var tæt på 100%11,12,13,14,15,16 . Dette skyldes spin-orbit-koblingen mellem den organiske forbindelse og det tunge overgangsmetal. Ulempen ved sådanne emittere er deres høje omkostninger og dårlige stabilitet. For nylig har rapporter om den kemiske syntese af en ren organisk forbindelse med lav energiseparation mellem de ophidsede triplet- og singlettilstande (∆EST) af Adachi17,18 givet anledning til en ny ramme. Selv om TADF-processen ikke er ny19, har den vellykkede anvendelse af TADF-processen i OLED'er gjort det muligt at opnå høj effektivitet uden at anvende overgangsmetalkomplekser.

I sådanne metalfrie organiske emittere er der stor sandsynlighed for, at de ophidsede bærere i en triplettilstand befolker til singlet-tilstanden; derfor kan IQE opnå en teoretisk grænse på 100%5,20,21,22. Disse TADF-materialer giver excitoner, der kan rekombinere stråling. Disse emittere kræver imidlertid spredning i en matrixvært for at undgå emissionsdæmpning 3,20,21,23,24 i et værts-gæstekoncept. Derudover afhænger dens effektivitet af, hvordan værten (organisk matrix) tilegnes gæstens (TADF) materiale25. Det er også nødvendigt at idealisere enhedens struktur (dvs. tynde lag, materialer og tykkelse) for at opnå en elektrisk afbalanceret enhed (ligevægt mellem huller og elektroner for at undgå tab)26. At opnå det bedste værts-gæstesystem til en elektrisk afbalanceret enhed er grundlæggende for at øge EQE. I TADF-baserede systemer er dette ikke enkelt på grund af ændringerne i de elektriske bærermobiliteter i EML, der ikke let kan indstilles.

Med TADF-emittere er EQE-værdier større end 20% nemme at opnå26,27,28,29. Enhedsstrukturen består dog typisk af tre til fem organiske lag (hultransport / blokering og elektrontransport / blokeringslag, henholdsvis HTL / HBL og ETL / EBL). Derudover fremstilles den ved hjælp af en termisk fordampningsproces, der er høj i omkostninger, teknologisk kompleks og næsten kun til displayapplikationer. Afhængigt af HOMO -niveauerne (højeste besatte molekylære orbital) og LUMO (laveste ubesatte molekylære orbitale) niveauer, elektrisk mobilitet af bærere og tykkelse kan hvert lag injicere, transportere og blokere elektriske bærere og garantere rekombination i det emissive lag (EML).

Reduktion af enhedens kompleksitet (f.eks. en simpel tolagsstruktur) resulterer normalt i et mærkbart fald i EQE, nogle gange til mindre end 5%. Dette sker på grund af den forskellige elektron- og hulmobilitet i EML, og enheden bliver elektrisk ubalanceret. I stedet for den høje effektivitet af excitonoprettelse bliver effektiviteten af emission i EML således lav. Desuden sker der en mærkbar afrulning med et kraftigt fald i EQE, når lysstyrken øges på grund af den høje koncentration af excitoner ved en høj påført spænding og lange spændte levetider 24,30,31. At overvinde sådanne problemer kræver en stærk evne til at manipulere elektriske egenskaber hos det emissive lag. For en simpel OLED-arkitektur ved hjælp af opløsningsdeponerede metoder kan EML's elektriske egenskaber indstilles af opløsningsforberedelses- og aflejringsparametrene32.

Løsningsaflejringsmetoder til organisk baserede enheder er tidligere blevet anvendt31. OLED-fabrikation sammenlignet med den termiske fordampningsproces er af stor interesse på grund af deres forenklede struktur, lave omkostninger og produktion af store områder. Med stor succes i overgangsmetalkomplekser OLED'er er hovedmålet at øge emitteringsområdet, men holde enhedsstrukturen så enkel som muligt33. Metoder som roll-to-roll (R2R)34,35,36, inkjetudskrivning 37,38,39 og slot-die 40 er med succes blevet anvendt i flerlagsfremstilling af OLED'er, hvilket er en mulig industriel tilgang.

På trods af opløsningsaflejringsmetoder til organiske lag, der tjener som et godt valg til forenkling af enhedsarkitektur, kan ikke alle ønskede materialer let deponeres. Der anvendes to typer materialer: små molekyler og polymerer. I opløsningsaflejringsmetoder har små molekyler nogle ulemper, såsom dårlig tyndfilmsuniformitet, krystallisation og stabilitet. Således anvendes polymerer mest på grund af evnen til at danne ensartede tynde film med lav overfladeruhed og på store, fleksible substrater. Desuden skal materialerne have god opløselighed i det passende opløsningsmiddel (hovedsageligt organiske som chloroform, chlorbenzen, dichlorbenzen osv.), Vand eller alkoholderivater.

Ud over opløselighedsproblemet er det nødvendigt at garantere, at et opløsningsmiddel, der anvendes i et lag, ikke bør fungere som et for det foregående lag. Dette tillader en flerlagsstruktur deponeret af den våde proces; Der er dog begrænsninger41. Den mest typiske enhedsstruktur bruger nogle opløsningsaflejrede lag (dvs. det emissive) og et termisk fordampet lag (ETL). Derudover afhænger tyndfilmhomogenitet og morfologi stærkt af aflejringsmetoderne og parametrene. Elektrisk ladningstransport gennem disse lag styres fuldstændigt af en sådan morfologi. Ikke desto mindre bør der med omtanke etableres en afvejning mellem den ønskede endelige anordning og kompatibiliteten af fremstillingsprocessen. Justering af deponeringsparametrene er en nøgle til succes, på trods af at det er tidskrævende arbejde. For eksempel er spinbelægningen ikke en ligetil teknik. Selvom det virker simpelt, er der flere aspekter af tyndfilmdannelse fra en opløsning oven på et roterende substrat, der kræver opmærksomhed.

Udover filmtykkelsesoptimering, manipulation af spindehastighed og tid (tykkelse er et eksponentielt henfald af begge parametre), skal eksperimentatorens handlinger også justeres for at opnå gode resultater. Korrekte parametre afhænger også af opløsningens viskositet, aflejringsområde og opløsningens befugtningsevne/kontaktvinkel på substratet. Der er ingen unikke sæt parametre. Kun grundlæggende antagelser med specifikke justeringer af opløsningen/substratet giver de ønskede resultater. Desuden kan de elektriske egenskaber, der afhænger af lagets molekylære konformation og morfologi, optimeres til ønskede resultater efter protokollen beskrevet her. Når den er afsluttet, er processen enkel og gennemførlig.

Ikke desto mindre fører reduktion af enhedens struktur kompleksitet til et maksimalt EQE-fald; Selvom der kan opnås et kompromis med hensyn til effektivitet vs. lysstyrke. Da et sådant kompromis tillader praktiske anvendelser, kan overskuddet af en enkel, stor områdekompatibel og billig proces blive en realitet. Denne artikel beskriver disse krav, og hvordan du udvikler en opskrift til at håndtere de nødvendige problemer.

Protokollen fokuserer på en grøn TADF-emitter 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazol]42 som gæst i en værtsmatrix sammensat af PVK [poly(N-vinylcarbazol)] og OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzen], hvilket svarer til EML. Der anvendes et elektrontransportlag (ETL) af TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzen]. Både anodens og katodens arbejdsfunktioner er optimeret. Anoden består af ITO (indiumtinoxid) med en højledende polymer PEDOT: PSS [poly (3,4-ethylendioxythiophen)-poly (styrenesulfonat)], og katoden består af et dobbelt lag aluminium og LiF (lithiumfluorid).

Endelig deponeres både PEDOT: PSS og EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) ved spinbelægning, mens TmPyPb, LiF og Al er termisk fordampet. I betragtning af den ledende metallignende karakter af PEDOT: PSS er enheden et typisk "to organisk lag" i den enkleste struktur muligt. I EML er TADF-gæst (10% wt.) spredt i værten (90% wt.) sammensat af PVK0,6 + OXD-70,4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIGTIG: Følgende trin involverer brug af forskellige opløsningsmidler og organiske materialer, så der skal udvises passende forsigtighed ved håndtering. Brug røghætten og beskyttelsesudstyr såsom laboratoriebriller, ansigtsmasker, handsker og laboratoriefrakker. Vejning af materialerne skal ske præcist ved hjælp af en højpræcisionsvægtmaskine. For at sikre renhed af substraterne, opløsningsaflejring af tynde film og fordampning anbefales det, at alle procedurer udføres i et kontrolleret miljø eller handskerum. Før brug af en spin-coater, mikropipetter, termiske fordampere, organiske materialer og opløsningsmidler skal alle sikkerhedsdatablade konsulteres.

1. Forberedelse af vært-gæst løsning

  1. I to små hætteglas (volumen mellem 4-6 ml, renset med isopropanol og tørret med nitrogen) vejes værtsmatrix sammensat af 12 mg PVK og 8 mg OXD-7. Start med at veje OXD-7. Kompenser enhver afvigelse i vægten ved hjælp af PVK for at opnå et endeligt forhold på 6: 4 (PVK: OXD-7). I det andet hætteglas vejes 10 mg 2PXZ-OXD TADF-emitter.
  2. Tilsæt 2 ml chlorbenzen til hætteglasset med værtsmatrix og 1 ml til hætteglasset med TADF-materiale. Hvis vægten af hætteglas ikke er nøjagtigt de ovenfor beskrevne værdier, justeres chlorbenzenvolumenet i begge hætteglas for at opnå en opløsning med en slutkoncentration på 10 mg/ml.
  3. Lad opløsningerne omrøre med små, rengjorte magnetiske rørestænger i mindst 3 timer for at sikre fuldstændig opløsning af materialerne. Sørg for, at hætteglassene er sikkert dækket med respektive hætter og tæt forseglet med organisk kemisk sikker film for at undgå fordampning af opløsningsmidler.

2. Rengøring af underlag

BEMÆRK: For at håndtere underlagene skal du bruge en pincet, der kun rører i et hjørne (rør aldrig ved midten af underlagene). De substrater, der anvendes her, har seks præmønstrede ITO-pixels (figur 1A).

  1. Få præmønstrede ITO-substrater. Rengør substrater i et ultralydsbad indeholdende 1% v / v Hellmanex-opløsning i vand, acetone og 2-propanol (IPA) sekventielt i 15 minutter i hvert bad. Det første bad udføres ved ca. 95 °C og det resterende ved stuetemperatur (RT). Til sidst tørres substraterne ved hjælp af nitrogenflux for at fjerne eventuelle rester af rengøringsopløsningsmidler.
  2. Før fabrikation udsættes substraterne (ITO-film vendt opad) for UV-ozonbehandling i 5 minutter. Træk forsigtigt gasserne ud, og sørg for, at det ITO-mønstrede ansigt udsættes for UV. Her skal du bruge en ozonrenser (100 W, 40 kHz). Indstil UV-lampernes emissionsbølgelængde til 185 nm og 254 nm med en højintensiv, lavtryks, kviksølvdampudladningslampe.

3. Spin belægning

Dette er det vigtigste trin i denne protokol. For at sikre ensartethed, homogenitet og fravær af pinholes i de tynde film skal alle opløsningsmidler filtreres med deres respektive filterpapirer. Fuldstændig fjernelse af overskydende opløsningsmidler fra substrater skal sikres for at undgå kort i den endelige enhed. For de substrater, der anvendes her, er fjernelsen af overskydende materialer fra den mønstrede ITO og katode også vigtig for at rette den endelige pixel, og den skal udføres med høj præcision uden at forstyrre pixelens aktive område. De trin, der er beskrevet nedenfor, skal følges for spinbelægning af de tynde film. Den endelige tykkelse af den tynde film vil variere, hvis du bruger en spin coater, der er anderledes end den, der bruges her.

  1. Forbered spin coater udstyr.
    BEMÆRK: Før du bruger spincoateren, er det nødvendigt at foretage en kurvekalibrering med aflejringsparametrene og den endelige tykkelse opnået for filmene. Dette skal gøres for hver anvendt løsning. Proceduren indebærer at lave flere aflejringer for den samme løsning, men med forskellige parametre, og den endelige tykkelse måles med et profilometer. Figur 2 viser en typisk kalibreringskurve for et aktivt lag.
  2. Indsæt PEDOT: PSS som det første lag oven på ITO. PEDOT:PSS filtreres med et 0,45 μm polyvinylidenfluorid (PVDF) filter. Fyld en mikropipet med 100 μL PEDOT:PSS.
  3. Placer forsigtigt substratet på spin coater-borepatronen, og aktiver vakuumsystemet for at fastgøre substratet (figur 1B, C). Drej ITO med forsiden opad, og juster for at centrere substratområdet så meget som muligt. Indstil parametrene for spinbelægningen til 5.000 o / min i 30 s. Indstil et indledende trin ved hjælp af spin coater på ~ 2-3 s ved lav rotation (200-500 o / min). Der forventes en tykkelse på 30 nm.
  4. Mikropipetten holdes vinkelret på substratet (figur 1D), opløsningen (100 μL) i midten af substratet (figur 1D) og starter spincoateren (figur 1E).
    BEMÆRK: Opløsningen må ikke tabes for hurtigt eller langsomt for at undgå risikoen for ikke-homogen spredning af opløsningen (afhængigt af viskositeten kan kontaktvinklen være ikke-ideel). Normalt er det ideelt at droppe løsningen i ~ 1 s. Rør ikke ved underlaget med mikropipetten, og prøv at synkronisere mellem start af spincoateren og slip af opløsningen. Hvis en totrinsaflejringsindstilling (som forklaret i trin 3.3) ikke er tilgængelig, skal du overveje en statisk aflejring: Slip opløsningen først, og start derefter spincoateren umiddelbart efter. Drop af opløsningen skal udføres omhyggeligt. Alle løsninger skal droppes i midten af rotationsaksen og danne et ensartet sted for at undgå uensartethed under processen. Vær opmærksom på, at selvom disse regler er ideelle til god filmaflejring, er spinbelægningsteknikken svær at optimere (dvs. kræver flere præoptimeringstrin). Desuden afhænger det af opløsningsviskositet, aflejring af ønsket område, hvordan opløsningen tabes på substratet og starten af spinding. Et eksempel på god filmdannelse på mikroskopisk skala kan ses i figur 3 som et AFM-billede.
  5. Fuldfør spin coater-trinnet (figur 1F). Sluk for vakuumet, og fjern substratet med en pincet. Ved hjælp af små bomuldsknopper gennemblødt i vand (dvs. PEDOT: PSS-opløsningsmidlet; Figur 1G), fjern den overskydende deponerede film omkring katode- og hjørneområderne fra substratet, og hold det centrale pixelerede område uberørt.
  6. Opbevar substratet i en ovn eller på en kogeplade ved 120 °C i 15 minutter for at fjerne PEDOT:PSS-opløsningsmidlet (vand). Fjern fra ovnen eller kogepladen, flyt til et handskerum, og lad det køle af til RT (figur 1H).
  7. Forbered løsningen til EML. I et nyt hætteglas med rent glas (se trin 1.1) fremstilles en ny opløsning bestående af 1,8 ml værtsopløsning og 0,2 ml TADF-opløsning ved hjælp af en mikropipette. Før du bruger opløsningen, filtreres den med et 0,1 μm PTFE-filter.
  8. Lad den nye opløsning omrøre i 15 minutter ved RT.
  9. Følg trin 3.3-3.5, lav aflejringen af denne anden opløsning i en spincoater i handskerummet. Drej ved 2.000 o / min i 60 s. Den forventede filmtykkelse skal være 50 nm. For at fjerne overskydende af den anden film skal du bruge bomuldsknopper gennemblødt i chlorbenzen.
  10. Lad underlagene stå på en kogeplade inde i handskerummet ved 70 °C i 30 minutter for helt at fjerne det overskydende chlorbenzen.
  11. Fjern substraterne fra kogepladen, og lad dem køle af til RT.
  12. For yderligere forholdsregler skal du overveje nogle temperatur / tid (indirekte fordampningshastighed) test for forskellige opløsningsmidler. Morfologien af den endelige film er stærkt afhængig af disse parametre. En simpel AFM-test kan være nyttig til at bekræfte, at opløsningsmiddelfordampningshastigheden er tilstrækkelig. Den endelige struktur af de deponerede tynde film skal være mere eller mindre lig ordningen i figur 1I.

4. Fordampning af materialer

BEMÆRK: For bedre fordampning er det krævede minimale vakuum typisk et tryk lavere end 5 x 10-5 mbar. For alle organiske materialer skal fordampningshastigheden holdes under 2 Å/s for at reducere lagenes ruhed og ensartethed. For LiF bør fordampningshastigheden være mindre end 0,2 Å/s. Manglende overholdelse af dette kan resultere i uensartede emissioner. Hvis det ikke allerede er gjort, skal du programmere det piezoelektriske sensorsystem (som måler aflejringstykkelsen og fordampningshastigheden) med de krævede parametre, såsom 1) materialetæthed, 2) Z-faktor: en akustisk kobling af materiale til sensoren og 3) værktøjsfaktor: geometrisk kalibrering af fordampningsdiglen vs. prøveholderen. Før du bruger fordamperen, henvises til udstyrsspecifikationerne for, hvordan sådanne kalibreringer udføres, og se materialedatabladet for densitets- og Z-faktorværdierne for et bestemt materiale. Når de er programmeret og uden nogen ændring af fordampningskammerets geometri (værktøjsfaktor), kan dataene gemmes til fremtidig brug med de samme materialer.

  1. Substraterne indsættes (film med forsiden nedad og efter at trin 3.11 er afsluttet) i prøveholderen med den ønskede fordampningsmaske (figur 4A).
  2. Inkluder de nødvendige digler (geometrien afhænger af det specifikke fordampersystem) og fyld hver med de nødvendige materialer (LiF, TmPyPb og Al). En detaljeret forklaring af den termiske fordampningsproces i OLEDs udvikling findes i litteraturen43 og diskuteres yderligere i denne rapport.
  3. Substratholderen anbringes med prøver i fordamperprøveholderen (figur 4B). Luk kammeret og pump fordamperkammeret ned. Følg de respektive instruktioner for fordampersystemet.
  4. Fordamp en film af TmPyPb med en tykkelse på 40 nm. Fordamp 2 nm LiF og 100 nm Al sekventielt. For fordampningen skal du følge den offentliggjorte procedure43.
    BEMÆRK: Den endelige struktur er repræsenteret i figur 4C. I det nuværende arbejde er enheder ikke indkapslet. For langsigtede eksperimenter skal indkapsling udføres, hvilket ikke er fokus her.

5. Karakterisering af enheden

BEMÆRK: For at karakterisere den endelige enhed skal du bruge en meget følsom spændingsmåler, luminansmåler og spektrometer. Hvis der er en integrerende sfære, skal du bruge den. Ellers anbringes luminansmåleren vinkelret på OLED-overfladeemissionen i en afstand, der er angivet af fabrikanten og afhængig af fokusobjektivet. Hvis der ikke anvendes en integrerende kugle, kan det antages, at OLED-enhedens emission følger en Lambertian-profil for effektivitetsberegningen. Her svarer den afbildede lysstyrke ikke til den målte under en integrerende kugle (således vil den være mindst π gange mindre).

  1. Indsæt den fremstillede OLED-enhed i testholderen, og lav de elektriske kontakter til den ønskede pixel. Mål strømmen (I), påført spænding (V) og lysstyrke (L). Komplette detaljer om den eksperimentelle opsætning er blevet forklaret tidligere43.
  2. Med et spektrometer måles elektroluminescensspektrene (EL) ved forskellige påførte spændinger i et område svarende til det dynamiske område for OLED-operationen44. Tag mindst tre til fire spektre. Her anvendes påførte spændinger på 5 V, 10 V og 15 V.
  3. Brug den nødvendige software til at beregne strømtætheden (J), strømeffektivitet (μc candela/ampere), energieffektivitet (ηp, lumen/Watt) og ekstern effektivitet (EQE). Med elektroluminescensspektrene bestemmes CIE-farvekoordinaterne. Egnede oplysninger om, hvordan man beregner alle disse fortjensttal, er tidligere beskrevet44.
  4. Afbild de angivne data. Udfør en kritisk analyse af resultaterne med hensyn til effektivitet og lysstyrke. Se elektroluminescensspektrene og forsøg at etablere en model for at forstå resultaterne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 viser de vigtigste resultater for den fremstillede enhed. Tændingsspændingen var ekstremt lav (~ 3 V), hvilket er et interessant resultat for en to-organisk lags enhed. Den maksimale lysstyrke var omkring 8.000 cd/m2 uden brug af en integrerende kugle. De maksimale værdier for ηc, ηp og EQE var henholdsvis ca. 16 cd/A, 10 lm/W og 8 %. Selvom resultaterne ikke er de bedste tal for fordele for denne TADF-emitter, var de de bedste, der blev fundet i en så simpel enhedsstruktur ved hjælp af denne emitter via løsningsprocesmetoden.

En maksimal EQE på 14,9% blev rapporteret i en fem-lags termisk fordampet OLED for den samme emitter42. Det er vigtigt, at det blev observeret, at EQE viste en relativt lav roll-off-adfærd (nær 7,5% for L = 100 cd / m 2 og ~ 6% for L = 1000 cd / m2), og sådanne roll-off-værdier er de bedste opnået for denne specifikke TADF-emitter42. Det betyder, at det koncept, der anvendes til modulering af EML's elektriske egenskaber ved hjælp af løsningsaflejring, ser ud til at være effektivt gyldigt. En vis nedbrydning blev observeret for påførte spændinger højere end 15 V, hvilket svarer til den velkendte brud på kemiske bindinger på grund af en høj elektrisk bæretæthed.

Forklaringen på disse resultater er interessant. Efter de begreber og analyser, der er beskrevet i indledningen, blev der opnået en elektrisk afbalanceret og effektiv enhed på trods af den enkle struktur. Med sammensætningen i EML blev modulering af den elektriske mobilitet beregnet for at opnå en bæreprofil, der var tilstrækkelig til den bedst mulige excitonrekombination. To enkle n-type- eller p-type-only-anordninger blev forberedt efter en offentliggjort procedure45, og mobiliteten for det aktive lag blev μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 og μp = 4,76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

Med løsningsaflejring kan der opnås en simpel elektrisk afbalanceret enhed, da EML's elektriske egenskaber kan moduleres fra korrekte justeringer og indstilling af aflejringsparametrene. Afhængigt af de emittere, der skal testes, kan dette koncept let tilpasses til videreudvikling af løsningsbehandlede OLED'er.

Figure 1
Figur 1: Protokolskema. De anvendte mønstrede substrater med ITO-strimlerne. I hvert substrat blev der produceret seks OLED'er med individuelle områder på 4 mm2 . Der vises et simpelt skema over aflejringsprocessen med spin coater-teknikken. Hovedområdet for den deponerede film viser de regioner, der skal rengøres, så de elektriske kontakter kan placeres nøjagtigt, når de inddampes. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Typisk spin coater kalibreringskurve. I dette tilfælde og for det aktive lag anvendes en fast tid på 60 s. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: AFM-billede af PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD (10% wt) 50 nm tyndfilm fra chlorbenzenopløsning. Filmen blev deponeret ved hjælp af spinbelægning som beskrevet i protokollen. RMS-værdien er kun 0,309 nm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Fordampningsskematisk. (A) Fordampningsmaske, der justeres oven på de deponerede film. Normalt er de foruddesignet til specifikke understøtninger. (B) Skematisk af fordampningskammeret med forskellige digler. Typen, nummeret og placeringen afhænger af det specifikke udstyr. Sensorerne til tykkelsesmålinger er placeret nær diglerne. Ovenpå rummer prøveholderen substratholderen med masker. (C) Endelige ordninger (og typisk fotografering) af den producerede OLED. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: De vigtigste fortjensttal for de producerede grønne OLED'er. (A) Den sædvanlige strømtæthed (J), påført spænding (V) og lysstyrke (L). (B) Strøm- og energieffektivitet som funktion af strømtætheden. (C) EQE som funktion af lysstyrke for at evaluere roll-off. (D) Elektroluminescensspektrene ved 10 V (inklusive billedet af OLED'erne). Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen, der bruges her til at fremstille en effektiv OLED i en simpel enhedsstruktur, er relativt enkel. Den elektriske mobilitet moduleres ikke kun af materialesammensætningen af et enhedslag, men afhænger også kritisk af filmmorfologi. Fremstilling af opløsningerne og et passende valg af opløsningsmiddel og koncentration er vigtige. Ingen materialeaggregering kan forekomme, hvilket indebærer fuldstændig opløselighed på nanometrisk skala. Det er også vigtigt at observere opløsningens viskositet. En høj viskositet fører til en høj kontaktvinkel af opløsningen på substratet, og det modsatte er også muligt. I begge tilfælde kan en ikke-homogen film dannes ved spincoating. Derudover bør det undgås at starte spin coater-rotationen, før opløsningen tabes. Endelig er et automatisk system til at droppe opløsningen i spincoateren en mulighed, som er fordelagtig for god tyndfilmaflejring. Ellers er det nødvendigt at garantere, at mikropipetten forbliver så vinkelret som muligt (relateret til substrat), når opløsningen slippes. Desuden skal den fjernes med det samme, når al opløsning tabes for at undgå ekstra små dråber, når spincoateren starter.

Som nævnt i indledningen kan ikke alle materialer let deponeres ved hjælp af løsningsprocessen. Heldigvis kan de fleste enheder fremstilles ved hjælp af protokollen beskrevet her. Yderligere forbedring af fortjensttallene kan opnås, hvilket er stærkt afhængigt af god filmdannelse (selv ved molekylær stablingsskala). De samlede elektriske egenskaber afhænger af dette. Udover metodens enkelhed er enhedens absolutte reproducerbarhed ved hjælp af spinbelægningsmetoder næsten 50% på grund af menneskelige fejl. Det kan heller ikke bruges til store underlag.

Endelig kan alle trin, der er beskrevet i protokollen, ses som den fælles ramme for produktion af stabile, effektive og enkle OLED'er. I betragtning af tendensen mod trykt elektronik er dette arbejde af stor betydning for fremtidige applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne anerkende "EXCILIGHT"-projektet fra EU's Horizon 2020-forsknings- og innovationsprogram under Marie Sklodowska-Curie-tilskudsaftale nr. 674990. Dette arbejde blev også udviklet inden for rammerne af projektet i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, finansieret af nationale midler gennem 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 udgave 189 OLED løsningsdeponerede enheder figurer af fortjeneste roll-off organisk elektronikteknik termisk aktiveret forsinket fluorescens lavkompleks enhedsstruktur enkel OLED-fremstillingsproces
Udvikling af effektive OLED'er fra løsningsaflejring
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