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Engineering

Desenvolvimento de OLEDs Eficientes a partir da Deposição de Soluções

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

Apresentamos aqui um protocolo para a fabricação de diodos emissores de luz orgânicos eficientes, simples e depositados em solução com baixo roll-off.

Abstract

O uso de emissores orgânicos altamente eficientes com base no conceito de fluorescência retardada ativada termicamente (TADF) é interessante devido à sua eficiência quântica interna de 100%. Apresentamos aqui um método de deposição de solução para a fabricação de eficientes diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) baseados em um emissor TADF em uma estrutura de dispositivo simples. Esse processo rápido, de baixo custo e eficiente pode ser usado para todas as camadas emissivas OLED que seguem o conceito host-guest. As etapas fundamentais são descritas juntamente com as informações necessárias para uma reprodução posterior. O objetivo é estabelecer um protocolo geral que possa ser facilmente adaptado para os principais emissores orgânicos atualmente em estudo e desenvolvimento.

Introduction

O aumento da eletrônica orgânica utilizada no dia a dia tornou-se uma realidade insuperável. Entre várias aplicações eletrônicas orgânicas, os OLEDs são talvez os mais atraentes. Sua qualidade de imagem, resolução e pureza de cor tornaram os OLEDs uma escolha primária para monitores. Além disso, a possibilidade de alcançar uma emissão de grande área em OLEDs extremamente finos, flexíveis, leves e fáceis de usar cores tem aplicações na iluminação. No entanto, algumas questões tecnológicas associadas ao processo de fabricação em emissores de grandes áreas adiaram a aplicação.

Com o primeiro OLED trabalhando em baixas tensões aplicadas1, novos paradigmas para iluminação de estado sólido foram projetados, embora com baixa eficiência quântica externa (EQE). O OLE EQE é obtido pela razão entre fótons emitidos (luz) e portadores elétricos injetados (corrente elétrica). Uma estimativa teórica simples para o EQE máximo esperado é igual a ηout x ηint 2. A eficiência interna (ηint) pode ser aproximada por ηint = γ x x Equation 1 ΦPL, onde γ corresponde ao fator de balanço de carga, ΦPL é o rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY), e Equation 1 é a eficiência da geração emissiva de excitões (par de buracos de elétrons). Por fim, ηestá a eficiência de desacoplamento2. Se o desacoplamento não for considerado, a atenção está focada em três tópicos: (1) quão eficiente é o material na criação de excitões que recombinam radiativamente, (2) quão eficientes são as camadas emissivas e (3) quão eficiente é a estrutura do dispositivo na promoção de um sistema elétrico bem equilibrado3.

Um emissor orgânico puramente fluorescente tem apenas 25% de eficiência quântica interna (IQE). De acordo com as regras de spin, a transição radiativa de um tripleto para um singleto (T→S) é proibida4. Portanto, 75% dos portadores elétricos excitados não contribuem para a emissão de fótons5. Este problema foi superado pela primeira vez usando metais de transição em OLEDs de fosforescência do emissor orgânico 6,7,8,9,10, onde o IQE foi supostamente próximo de 100%11,12,13,14,15,16 . Isto é devido ao acoplamento spin-órbita entre o composto orgânico e o metal de transição pesado. A desvantagem em tais emissores é o seu alto custo e baixa estabilidade. Recentemente, relatos sobre a síntese química de um composto orgânico puro com separação de baixa energia entre os estados trípeto excitado e singleto (∆EST) por Adachi17,18 deram origem a uma nova estrutura. Embora não seja novo19, o emprego bem-sucedido do processo TADF em OLEDs tornou possível obter altas eficiências sem o uso de complexos de metais de transição.

Em tais emissores orgânicos livres de metais, há uma alta probabilidade de os portadores excitados em um estado tripleto povoarem para o estado singleto; portanto, o IQE pode atingir um limite teórico de 100%5,20,21,22. Esses materiais TADF fornecem excitons que podem se recombinar radiativamente. No entanto, esses emissores requerem dispersão em um hospedeiro matricial para evitar a extinção de emissões 3,20,21,23,24 em um conceito host-convidado. Além disso, sua eficiência depende de como o hospedeiro (matriz orgânica) é apropriado para o material convidado (TADF)25. Além disso, é necessário idealizar a estrutura do dispositivo (ou seja, camadas finas, materiais e espessura) para alcançar um dispositivo eletricamente equilibrado (equilíbrio entre buracos e elétrons para evitar perdas)26. Alcançar o melhor sistema host-guest para um dispositivo eletricamente equilibrado é fundamental para aumentar o EQE. Em sistemas baseados em TADF, isso não é simples, devido às mudanças nas mobilidades do portador elétrico no EML que não são facilmente ajustadas.

Com os emissores de TADF, valores de EQE superiores a 20% são fáceis de obter26,27,28,29. No entanto, a estrutura do dispositivo é tipicamente composta de três a cinco camadas orgânicas (transporte/bloqueio de furos e camadas de transporte/bloqueio de elétrons, HTL/HBL e ETL/EBL, respectivamente). Além disso, é fabricado usando um processo de evaporação térmica que é alto em custo, tecnologicamente complexo e quase apenas para aplicações de exibição. Dependendo dos níveis de HOMO (orbital molecular ocupado mais alto) e LUMO (orbital molecular desocupado mais baixo), mobilidade elétrica dos portadores e espessura, cada camada pode injetar, transportar e bloquear portadores elétricos e garantir a recombinação na camada emissiva (EML).

Reduzir a complexidade do dispositivo (por exemplo, uma estrutura simples de duas camadas) geralmente resulta em uma diminuição notável do EQE, às vezes para menos de 5%. Isso acontece devido à mobilidade diferente de elétrons e buracos no EML, e o dispositivo se torna eletricamente desequilibrado. Assim, em vez da alta eficiência da criação de excitons, a eficiência de emissão no EML torna-se baixa. Além disso, um roll-off perceptível ocorre com uma forte diminuição do EQE à medida que o brilho aumenta, devido à alta concentração de excitons em alta tensão aplicada e longas vidas excitadas 24,30,31. Superar tais problemas requer uma forte capacidade de manipular as propriedades elétricas da camada emissiva. Para uma arquitetura OLED simples usando métodos depositados em solução, as propriedades elétricas do EML podem ser ajustadas pelos parâmetros de preparação e deposição da solução32.

Métodos de deposição de soluções para dispositivos de base orgânica já foram utilizadosanteriormente 31. A fabricação de OLED, em comparação com o processo de evaporação térmica, é de grande interesse devido à sua estrutura simplificada, baixo custo e grande área de produção. Com alto sucesso em complexos de metais de transição OLEDs, o principal objetivo é aumentar a área emissora, mas manter a estrutura do dispositivo o mais simples possível33. Métodos como roll-to-roll (R2R)34,35,36, impressão a jato de tinta37,38,39 e slot-die40 foram aplicados com sucesso na fabricação multicamada de OLEDs, o que é uma possível abordagem industrial.

Apesar dos métodos de deposição de soluções para camadas orgânicas servirem como uma boa escolha para a simplificação da arquitetura do dispositivo, nem todos os materiais desejados podem ser facilmente depositados. Dois tipos de materiais são usados: pequenas moléculas e polímeros. Nos métodos de deposição de soluções, moléculas pequenas têm algumas desvantagens, como uniformidade de filme fino pobre, cristalização e estabilidade. Assim, os polímeros são usados principalmente devido à capacidade de formar filmes finos uniformes com baixa rugosidade superficial e em substratos grandes e flexíveis. Além disso, os materiais devem ter boa solubilidade no solvente apropriado (principalmente os orgânicos como clorofórmio, clorobenzeno, diclorobenzeno, etc.), água ou derivados de álcool.

Além do problema da solubilidade, é necessário garantir que um solvente usado em uma camada não atue como um para a camada anterior. Isso permite uma estrutura multicamada depositada pelo processo úmido; no entanto, existem limitações41. A estrutura mais típica do dispositivo usa algumas camadas depositadas em solução (ou seja, a emissiva) e uma camada evaporada termicamente (ETL). Além disso, a homogeneidade e a morfologia do filme fino dependem fortemente dos métodos e parâmetros de deposição. O transporte de carga elétrica através dessas camadas é completamente governado por tal morfologia. No entanto, uma compensação entre o dispositivo final desejado e as compatibilidades do processo de fabricação deve ser criteriosamente estabelecida. Ajustar os parâmetros de deposição é a chave para o sucesso, apesar de ser um trabalho demorado. Por exemplo, o revestimento de spin não é uma técnica simples. Embora pareça simples, existem vários aspectos da formação de filme fino a partir de uma solução em cima de um substrato giratório que requerem atenção.

Além da otimização da espessura do filme, manipulação da velocidade de rotação e tempo (a espessura é um decaimento exponencial de ambos os parâmetros), as ações do experimentador também devem ser ajustadas para obter bons resultados. Os parâmetros corretos também dependem da viscosidade da solução, da área de deposição e do ângulo de molhabilidade/contato da solução no substrato. Não há conjuntos exclusivos de parâmetros. Somente pressupostos básicos com ajustes específicos na solução/substrato produzem os resultados desejados. Além disso, as propriedades elétricas que dependem da conformação molecular e morfologia da camada podem ser otimizadas para os resultados desejados, seguindo o protocolo aqui descrito. Uma vez concluído, o processo é simples e viável.

No entanto, a diminuição da complexidade da estrutura do dispositivo leva a uma diminuição máxima do EQE; embora, um compromisso possa ser alcançado em termos de eficiência versus brilho. Como tal compromisso permite aplicações práticas, o excedente de um processo simples, grande e de grande área, compatível e de baixo custo pode se tornar uma realidade. Este artigo descreve esses requisitos e como desenvolver uma receita para lidar com os problemas necessários.

O protocolo centra-se num emissor de TADF verde 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole]42 como convidado numa matriz hospedeira composta por PVK [poli(N-vinilcarbazol)] e OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butilfenil)-1,3,4-oxadiazo-5-il]benzeno], que corresponde ao EML. Uma camada de transporte de elétrons (ETL) de TmPyPb [1,3,5-Tri(m-piridina-3-ilfenil)benzeno] é usada. As funções de trabalho do ânodo e do cátodo são otimizadas. O ânodo é composto de ITO (óxido de estanho de índio) com um polímero altamente condutor PEDOT:PSS [poli(3,4-etilenodioxitiofeno)-poli(estirenosulfonato)], e o cátodo é composto por uma camada dupla de alumínio e LiF (fluoreto de lítio).

Finalmente, tanto o PEDOT:PSS quanto o EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) são depositados por revestimento de spin, enquanto TmPyPb, LiF e Al são evaporados termicamente. Considerando a natureza condutora de metal do PEDOT:PSS, o dispositivo é uma típica "duas camadas orgânicas" na estrutura mais simples possível. No EML, o convidado TADF (10% em peso) é disperso no host (90% em peso) composto por PVK0,6+OXD-70,4.

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Protocol

CUIDADO: As etapas a seguir envolvem o uso de diferentes solventes e materiais orgânicos, portanto, os devidos cuidados devem ser tomados ao manusear. Use o exaustor e o equipamento de proteção, como óculos de laboratório, máscaras faciais, luvas e jalecos. A pesagem dos materiais deve ser feita com precisão usando uma máquina de balança de alta precisão. Para garantir a limpeza dos substratos, a deposição de solução de filmes finos e a evaporação, recomenda-se que todos os procedimentos sejam realizados em um ambiente controlado ou porta-luvas. Antes da utilização de um revestidor de fiação, micropipetas, evaporadores térmicos, materiais orgânicos e solventes, todas as fichas de dados de segurança devem ser consultadas.

1. Preparação da solução anfitrião-hóspede

  1. Em dois frascos para injetáveis pequenos (volume entre 4–6 ml, limpos com isopropanol e secos com azoto), pesam a matriz do hospedeiro composta por 12 mg de PVK e 8 mg de OXD-7. Comece pesando o OXD-7. Compensar qualquer desvio no peso usando PVK para alcançar uma proporção final de 6:4 (PVK:OXD-7). No segundo frasco para injetáveis, pesar 10 mg de emissor de FADF 2PXZ-OXD.
  2. Adicione 2 ml de clorobenzeno ao frasco para injetáveis com matriz do hospedeiro e 1 ml ao frasco para injetáveis com material TADF. Se os pesos de quaisquer frascos para injetáveis não forem exatamente os valores descritos acima, ajuste o volume de clorobenzeno em ambos os frascos para injetáveis para obter uma solução com concentração final de 10 mg/ml.
  3. Deixe as soluções agitadas com barras magnéticas pequenas e limpas durante pelo menos 3 h para garantir a dissolução completa dos materiais. Certifique-se de que os frascos para injetáveis estão cobertos com segurança com as respetivas tampas e bem fechados com película orgânica segura para evitar qualquer evaporação de solventes.

2. Limpeza do substrato

NOTA: Para manusear os substratos, use um par de pinças, tocando apenas em um canto (nunca toque no meio dos substratos). Os substratos aqui utilizados possuem seis pixels ITO pré-padronizados (Figura 1A).

  1. Obtenha substratos ITO pré-padronizados. Limpe os substratos em um banho ultrassônico contendo solução de Hellmanex a 1% v/v em água, acetona e 2-propanol (IPA), sequencialmente, por 15 min em cada banho. Realizar o primeiro banho a aproximadamente 95 °C e o restante à temperatura ambiente (RT). Finalmente, seque os substratos usando fluxo de nitrogênio para remover qualquer resíduo de solvente de limpeza.
  2. Antes da fabricação, exponha os substratos (filme ITO voltado para cima) ao tratamento com ozônio UV por 5 min. Extraia cuidadosamente os gases e certifique-se de que o rosto padronizado ITO seja exposto aos raios UV. Aqui, use um limpador de ozônio (100 W, 40 kHz). Defina o comprimento de onda de emissão das lâmpadas UV para 185 nm e 254 nm com uma lâmpada de descarga de vapor de mercúrio de alta intensidade e baixa pressão.

3. Revestimento de rotação

Este é o passo mais importante deste protocolo. Para garantir a uniformidade, homogeneidade e ausência de orifícios nos filmes finos, todos os solventes devem ser filtrados com seus respectivos papéis de filtro. A remoção completa do excesso de solventes dos substratos deve ser assegurada para evitar qualquer falta no dispositivo final. Para os substratos aqui utilizados, a remoção do excesso de materiais do ITO padronizado e do cátodo também é importante para fixar o pixel final, e deve ser realizada com alta precisão, sem perturbar a área ativa do pixel. Os passos descritos abaixo devem ser seguidos para o revestimento por rotação dos filmes finos. A espessura final do filme fino variará se usar um revestidor de rotação diferente do usado aqui.

  1. Prepare o equipamento de revestidor de fiação.
    NOTA: Antes de utilizar o revestidor de spin, é necessário fazer uma calibração de curva com os parâmetros de deposição e espessura final obtidos para os filmes. Isso deve ser feito para cada solução empregada. O procedimento envolve fazer várias deposições para a mesma solução, mas com parâmetros diferentes, e a espessura final é medida com um perfilômetro. A Figura 2 mostra uma curva de calibração típica para uma camada ativa.
  2. Deposite PEDOT: PSS como a primeira camada em cima do ITO. Filtre o PEDOT:PSS com um filtro de fluoreto de polivinilideno (PVDF) de 0,45 μm. Encha uma micropipeta com 100 μL de PEDOT:PSS.
  3. Coloque cuidadosamente o substrato no mandril do revestidor de spin e ative o sistema de vácuo para fixar o substrato (Figura 1B,C). Gire o ITO virado para cima e ajuste para centralizar a área do substrato, tanto quanto possível. Defina os parâmetros para o revestimento de rotação para 5.000 rpm por 30 s. Defina uma etapa inicial usando o revestidor de giro de ~2–3 s em baixa rotação (200–500 rpm). Espera-se uma espessura de 30 nm.
  4. Mantendo a micropipeta perpendicular ao substrato (Figura 1D), solte a solução (100 μL) no meio do substrato (Figura 1D) e inicie o revestidor de spin (Figura 1E).
    NOTA: Não deixe cair a solução muito rápida ou lentamente para evitar o risco de propagação não homogénea da solução (dependendo da viscosidade, o ângulo de contacto pode não ser ideal). Normalmente, deixar cair a solução em ~1 s é ideal. Não toque no substrato com a micropipeta e tente sincronizar entre iniciar o revestidor de rotação e soltar a solução. Se uma definição de deposição em duas etapas (conforme explicado na etapa 3.3) não estiver disponível, considere uma deposição estática: solte a solução primeiro e, em seguida, inicie o revestidor de rotação imediatamente depois. A queda da solução deve ser feita com cuidado. Todas as soluções devem ser deixadas no centro do eixo de rotação e formar um ponto uniforme para evitar não uniformidades durante o processo. Esteja ciente de que, embora essas regras sejam ideais para uma boa deposição de filme, a técnica de revestimento por rotação é difícil de otimizar (ou seja, requer várias etapas de pré-otimização). Além disso, depende da viscosidade da solução, da área desejada de deposição, de como a solução é lançada sobre o substrato e do início da fiação. Um exemplo de boa formação de filme em escala microscópica pode ser visto na Figura 3 como uma imagem AFM.
  5. Conclua a etapa do revestidor de rotação (Figura 1F). Desligue o vácuo e, com um rodízio, remova o substrato. Com a ajuda de pequenos cotonetes embebidos em água (ou seja, o solvente PEDOT:PSS; Figura 1G), remova o excesso de filme depositado ao redor do cátodo e das áreas de canto do substrato, mantendo a área pixelada central intocada.
  6. Manter o substrato num forno ou numa placa quente a 120 °C durante 15 minutos para remover o solvente PEDOT:PSS (água). Retire do forno ou da placa quente, mova para um porta-luvas e deixe esfriar para RT (Figura 1H).
  7. Prepare a solução para o EML. Num frasco para injetáveis novo e limpo (ver passo 1.1), utilizando uma micropipeta, preparar uma nova solução composta por 1,8 ml de solução hospedeira e 0,2 ml de solução TADF. Antes de utilizar a solução, filtre-a com um filtro PTFE de 0,1 μm.
  8. Deixe a nova solução mexendo por 15 min no RT.
  9. Seguindo os passos 3.3–3.5, faça a deposição desta segunda solução num revestidor giratório no porta-luvas. Gire a 2.000 rpm por 60 s. A espessura esperada do filme deve ser de 50 nm. Para remover qualquer excesso do segundo filme, use cotonetes embebidos em clorobenzeno.
  10. Deixar os substratos numa placa quente no interior do porta-luvas a 70 °C durante 30 minutos para remover completamente o excesso de clorobenzeno.
  11. Retire os substratos da placa quente e deixe esfriar para RT.
  12. Para precauções adicionais, considere alguns testes de temperatura/tempo (indiretamente, taxa de evaporação) para diferentes solventes. A morfologia do filme final é fortemente dependente desses parâmetros. Um simples teste AFM pode ser útil para confirmar que a taxa de evaporação do solvente é adequada. A estrutura final das películas finas depositadas deve ser mais ou menos semelhante ao esquema da figura 1I.

4. Evaporação dos materiais

NOTA: Para uma melhor evaporação, o vácuo mínimo necessário é tipicamente uma pressão inferior a 5 x 10-5 mbar. Para todos os materiais orgânicos, a taxa de evaporação deve ser mantida abaixo de 2 Å/s para reduzir a rugosidade e uniformidade das camadas. Para LiF, a taxa de evaporação deve ser inferior a 0,2 Å/s. A não adesão a isso pode resultar em emissões não uniformes. Se ainda não estiver pronto, programe o sistema de sensor piezoelétrico (que mede a espessura de deposição e a taxa de evaporação) com os parâmetros necessários, como 1) densidade do material, 2) fator Z: um acoplamento acústico do material ao sensor e 3) fator de ferramental: calibração geométrica do cadinho de evaporação vs. suporte da amostra. Antes de usar o evaporador, consulte as especificações do equipamento sobre como realizar tais calibrações e consulte a folha de dados de materiais para os valores de densidade e fator Z para um material específico. Uma vez programados, e sem qualquer alteração da geometria da câmara de evaporação (fator de ferramental), os dados podem ser armazenados para uso futuro com os mesmos materiais.

  1. Inserir os substratos (filmes virados para baixo e após a conclusão do passo 3.11) no suporte da amostra com a máscara de evaporação pretendida (figura 4A).
  2. Inclua os cadinhos necessários (a geometria depende do sistema evaporador específico) e preencha cada um com os materiais necessários (LiF, TmPyPb e Al). Uma explicação detalhada do processo de evaporação térmica no desenvolvimento de OLEDs pode ser encontrada na literatura43 e é discutida mais adiante neste relatório.
  3. Colocar o suporte do substrato com amostras no suporte da amostra do evaporador (Figura 4B). Feche a câmara e bombeie a câmara do evaporador. Siga as respectivas instruções para o sistema evaporador.
  4. Evaporar uma película de TmPyPb com uma espessura de 40 nm. Evaporar 2 nm de LiF e 100 nm de Al, sequencialmente. Para a evaporação, siga o procedimento publicado43.
    NOTA: A estrutura final é representada na Figura 4C. No trabalho atual, os dispositivos não são encapsulados. Para experimentos de longo prazo, o encapsulamento deve ser realizado, o que não é o foco aqui.

5. Caracterização do dispositivo

NOTA: Para caracterizar o dispositivo final, use um medidor de tensão altamente sensível, um medidor de luminância e um espectrômetro. Se houver uma esfera integradora, use-a. Caso contrário, coloque o medidor de luminância perpendicularmente à emissão de superfície OLED a uma distância indicada pelo fabricante e dependente da lente de foco. Se não estiver usando uma esfera integradora, pode-se supor que a emissão do dispositivo OLED segue um perfil lambertiano para o cálculo da eficiência. Aqui, o brilho plotado não corresponde ao medido sob uma esfera de integração (assim, será pelo menos π vezes menor).

  1. Insira o dispositivo OLED fabricado no suporte de teste e faça os contatos elétricos para o pixel desejado. Meça a corrente (I), a tensão aplicada (V) e o brilho (L). Detalhes completos sobre a configuração experimental foram explicados anteriormente43.
  2. Com um espectrômetro, meça os espectros de eletroluminescência (EL) em diferentes tensões aplicadas em uma faixa correspondente à faixa dinâmica da operação OLED44. Tome pelo menos três a quatro espectros. Aqui, tensões aplicadas de 5 V, 10 V e 15 V são usadas.
  3. Usando o software necessário, calcule a densidade de corrente (J), a eficiência da corrente (μc candela/Ampere), a eficiência energética (ηp, lúmen/Watt) e a eficiência externa (EQE). Com os espectros de eletroluminescência, determine as coordenadas de cor CIE. Informações adequadas sobre como calcular todos esses números de mérito foram descritas anteriormente44.
  4. Plote os dados indicados. Realize uma análise crítica dos resultados em termos de eficiência e brilho. Veja os espectros de eletroluminescência e tente estabelecer um modelo para entender os resultados.

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Representative Results

A Figura 5 mostra os principais resultados para o dispositivo fabricado. A tensão de ativação foi extremamente baixa (~ 3 V), o que é um resultado interessante para um dispositivo de duas camadas orgânicas. O brilho máximo foi de cerca de 8.000 cd/m2 sem o uso de uma esfera integradora. Os valores máximos para ηc, ηp e EQE foram em torno de 16 cd/A, 10 lm/W e 8%, respectivamente. Embora os resultados não sejam os melhores números de mérito para este emissor TADF, eles foram os melhores encontrados em uma estrutura de dispositivo tão simples usando este emissor através do método de processo de solução.

Um EQE máximo de 14,9% foi relatado em um OLED evaporado termicamente de cinco camadas para o mesmo emissor42. É importante ressaltar que observou-se que o EQE apresentou um comportamento de roll-off relativamente baixo (próximo a 7,5% para L = 100 cd/m 2 e ~6% para L = 1000 cd/m2), sendo que tais valores de roll-off são os mais bem alcançados para esse emissor específico de TADF42. Isso significa que o conceito empregado para modular as propriedades elétricas do EML usando a deposição de solução parece ser efetivamente válido. Alguma degradação foi observada para tensões aplicadas superiores a 15 V, o que corresponde à conhecida quebra de ligações químicas devido a uma alta densidade de portadores elétricos.

A explicação desses resultados é interessante. Seguindo os conceitos e análises descritos na introdução, obteve-se um dispositivo eletricamente equilibrado e eficiente, apesar da estrutura simples. Com a composição no EML, a modulação da mobilidade elétrica foi calculada para obter um perfil de suporte adequado à melhor recombinação de exciton possível. Dois dispositivos simples do tipo n ou do tipo p foram preparados seguindo um procedimento publicado45, e as mobilidades para a camada ativa foram μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 e μp = 4,76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

Com a deposição da solução, um dispositivo eletricamente equilibrado simples pode ser alcançado, pois as propriedades elétricas do EML podem ser moduladas a partir de ajustes corretos e ajuste dos parâmetros de deposição. Dependendo dos emissores a serem testados, esse conceito pode ser facilmente adaptado para o desenvolvimento de OLEDs processados por soluções.

Figure 1
Figura 1: Protocolo esquemático. Os substratos padronizados utilizados com as tiras ITO. Em cada substrato, foram produzidos seis OLEDs com áreas individuais de 4 mm2 . Um esquema simples do processo de deposição que uding a técnica de spin coater é mostrado. A área principal do filme depositado mostra as regiões a serem limpas para permitir que os contatos elétricos sejam posicionados com precisão quando evaporados. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Curva típica de calibração do revestidor de spin. Neste caso, e para a camada ativa, um tempo fixo de 60 s é usado. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Imagem AFM de PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% em peso) filme fino de 50 nm da solução de clorobenzeno. O filme foi depositado com revestimento de spin conforme descrito no protocolo. O valor do RMS é de apenas 0,309 nm. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Esquema de evaporação. (A) Máscara de evaporação que é ajustada em cima dos filmes depositados. Normalmente, eles são pré-projetados para suportes específicos. (B) Esquema da câmara de evaporação com diferentes cadinhos. O tipo, o número e a localização dependem do equipamento específico. Os sensores para medições de espessura são colocados perto dos cadinhos. No topo, o suporte da amostra acomoda o suporte do substrato com máscaras. (C) Esquemas finais (e fotografia típica) do OLED produzido. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Principais números de mérito dos OLEDs verdes produzidos. (A) A densidade de corrente usual (J), a tensão aplicada (V) e o brilho (L). (B) Eficiência de corrente e energia em função da densidade de corrente. (C) O EQE em função do brilho para avaliar o roll-off. (D) Os espectros de eletroluminescência a 10 V (incluindo a imagem dos OLEDs). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

O protocolo usado aqui para fabricar um OLED eficiente em uma estrutura de dispositivo simples é relativamente simples. A mobilidade elétrica não é apenas modulada pela composição do material de uma camada de dispositivo, mas também depende criticamente da morfologia do filme. A preparação das soluções e uma escolha adequada de solvente e concentração são importantes. Nenhuma agregação de material pode ocorrer, implicando solubilidade completa na escala nanométrica. Também é importante observar a viscosidade da solução. Uma alta viscosidade leva a um alto ângulo de contato da solução no substrato, e o oposto também é possível. Em ambos os casos, um filme não homogêneo pode ser formado por revestimento de spin. Além disso, o início da rotação do revestidor de rotação antes de soltar a solução deve ser evitado. Finalmente, um sistema automático para soltar a solução no revestidor de spin é uma opção, o que é vantajoso para uma boa deposição de filme fino. Caso contrário, é necessário garantir que a micropipeta permaneça o mais perpendicular possível (relacionada ao substrato) ao soltar a solução. Além disso, deve ser removido imediatamente quando toda a solução é deixada cair para evitar quedas extrapequenas quando o revestidor de rotação começa.

Como mencionado na introdução, nem todos os materiais podem ser facilmente depositados usando o processo de solução. Felizmente, a maioria dos dispositivos pode ser fabricada usando o protocolo descrito aqui. Pode-se obter uma melhoria adicional dos números de mérito, o que é fortemente dependente de uma boa formação de filme (mesmo na escala de empilhamento molecular). As propriedades elétricas gerais dependem disso. Além da simplicidade do método, a reprodutibilidade absoluta do dispositivo usando métodos de revestimento por spin é de quase 50% devido a erro humano. Além disso, não pode ser usado para substratos de grande área.

Finalmente, todas as etapas descritas no protocolo podem ser vistas como a estrutura comum para a produção de OLEDs estáveis, eficientes e simples. Considerando a tendência para a eletrônica impressa, este trabalho é de grande importância para aplicações futuras.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Os autores gostariam de agradecer o Projeto "EXCILIGHT" do programa de investigação e inovação Horizonte 2020 da União Europeia no âmbito do acordo de subvenção Marie Sklodowska-Curie n.º 674990. Este trabalho foi também desenvolvido no âmbito do projeto i3N, UIDB/50025/2020 e UIDP/50025/2020, financiado por fundos nacionais através da 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

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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).

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