В этой статье мы опишем электрохимические, электронного парамагнитного резонанса и УФ видимой и ближней ИК-области spectroelectrochemical методов анализа органических соединений для применения в органической электроники.
Циклической вольтамперометрии (CV) — это метод, используемый в анализ органических соединений. Когда этот метод в сочетании с электронного парамагнитного резонанса (EPR) или рентгеновская спектроскопия УФ видимой и ближней ИК-области спектра (UV-Vis-NIR), мы получаем полезную информацию как энергия сродства к электрону, потенциал ионизации, зазор полосы энергий, тип носителей заряда и деградации информацию, которая может использоваться для синтеза стабильных органических электронных устройств. В этом исследовании мы представляем электрохимических и spectroelectrochemical методы для анализа процессов, происходящих в активные слои органических устройства, а также носителей созданные заряда.
Во всем мире Исследователи постоянно ищут новых органических материалов, которые могут быть использованы в органической электроники с желательным производительности или стабильности, которая падает из-за длительного использования. В случае органических устройств важно понять поведение перевозчика заряд полностью знать правила вождения поведение устройства. Анализ влияния молекулярной структуры на генерации заряда перевозчика и динамика и поддержание баланса носителей заряда вводится, как положительные (отверстия) и отрицательные (электронов), имеет решающее значение для повышения эффективности и стабильности из органических устройств. Это обеспечивает эффективное рекомбинации этих одиночных зарядов и следовательно значительно улучшает эффективность фотолюминесценция органических светоизлучающих диодов (OLEDs)1,2. Для органических фотогальванических (владения)3,4 , а также органических поле эффект транзисторов (OFETs)5,6необходимо иметь материалы с высокой обязанности перевозчика мобильности. Помимо анализа носителей заряда, несколько важных параметров материалами органических Электроактивные помочь в прогнозировании, где мог бы использоваться материал: потенциал ионизации (IP), уровни энергии электрона сродство (EA) и группа разрыв между ними7 ,8,9,10.
В этой работе мы представляем метод для эффективного измерения циклической вольтамперометрии (CV), который может использоваться в анализе всех видов Электроактивные материалов. Эта технология предоставляет сведения о окислительно-восстановительные свойства, допинг/dedoping механизм, стабильность, преобразования и хранения энергии, и т.д. Она также позволяет для оценки аффинити и ионизации энергии электронов испытаний соединений в гораздо дешевле и быстрее способ по сравнению с другими высокого вакуума методов. Вышеупомянутые параметры коррелируют с уровнями энергии высокие оккупированных молекулярная орбиталь (HOMO) и низкие незанятых молекулярная орбиталь (ЛЮМО).
Метод, представленный в этой статье может использоваться для анализа всех типов конъюгированных соединений, таких как те, с делокализованных π-электронов в их структурах. Конъюгированные соединений могут быть небольшие молекулы с большим полимерных цепей. Малые молекулы также может быть мономеров; во время первоначальной реакции (фотохимических, электрохимическими или химический) мономеров могут образовывать полимеры. В OLED приложения значения уровня энергии необходимы для включения использования правильного узла для излучателя в термически активированные задержки флуоресцирования (TADF) гость хост-системы или принять решение, с которым соединений exciplex донорно акцепторной слой может быть сформирована и какие дополнительные слои (электронов транспортировки слой (ETL), отверстие, транспортировки слой (HTL), электрон блокировки слоя (РПЗ) и отверстие блокирующий слой (HBL)) будет необходимо синтезировать эффективно взимается стабильные сбалансированные OLED устройств11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. Дополнительные электрохимические измерения позволяют расследования возможных побочных реакций в ходе процесса деградации активного слоя и формирование низких мобильных носителей заряда (bipolarons)18,19 ,20,21,22.
Муфта электрохимических и spectroelectrochemical методов позволяет легко, точные и надежные определения степени окисления или уменьшения конъюгированных соединений и их деградации потенциала, который имеет решающее значение для стабильности23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. УФ видимой и ближней инфракрасной спектроскопии (UV-Vis-NIR), в сочетании с электрохимии могут характеризовать основные хроматической свойства всех новых конъюгированных соединений, таких как изменение полосу поглощения в ходе допинг 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
В ходе исследования, относящиеся к механизму допинг важно определить тип носителей заряда. В этом процессе, два класса заряженных квазичастицами принять участие, один с безвозмездным спина (поляроны) и второй диамагнитного (bipolarons); спектроскопия парамагнитного резонанса (EPR) обеспечивает неоценимую помощь, которая непосредственно позволяет наблюдать и отслеживать изменения в популяциях парамагнитных поляроны29,,3031,32 . В маленьких молекул трудно bipolarons формы, но эти молекулы могут быть довольно конъюгированных и вызывая биполярона свойствами; важно проверить, если и в котором потенциальные поляроны и bipolarons образуются в структуре. Bipolarons, по крайней мере один порядок ниже в мобильности поляроны; Таким образом если bipolarons образуются в рабочих устройств, то это может привести к несбалансированное соотношение носителей заряда, которые приведут к большой ток и перегрева OLED устройства или вполне может быть очагов деградации33.
Метод измерения, предложенных в данном исследовании является дешевым и быстрее и позволяет для определения наиболее ценных постановляющей части параметров для большого числа Электроактивные материалов без необходимости использования специальных устройств, которые основаны на недавно синтезированных материалы, чтобы проверить его производительность. Применяя электрохимии и spectroelectrochemistry, можно выбрать один из материала, который является очень перспективным из сотни новых материалов. Кроме того можно получить подробную информацию о процессах допинг и их влияние на химической структуры теста конъюгированных с использованием электрохимических систем и spectroelectrochemical методы, которые позволяет построить больше эффективных органических электронных устройств.
Электрохимические и spectroelectrochemical методы не имеют ограничений; можно анализировать, твердого и жидкого решения в широком диапазоне температуры и других условий с помощью этих методов. Во всех этих случаях важно что соединений/материалы анализируются под прикладной потенциал, тиражирование реальных условий для работы органических электронных устройств. Единственным отличием является то, что в электрохимии, наблюдается формирование носителей заряда.
Представленные здесь методы показывают полезность анализа заряженных носителей сгенерирована органических соединений, которые коррелируют с их применимости в органической электроники. Кроме того, электрохимических и spectroelectrochemical методы дешевле и менее требовательны чем типичных методов, используемых в анализе несущей заряда, но есть некоторые важные шаги и изменения к протоколу, которые необходимы в зависимости полученные результаты.
Во время электрохимические характеристики всегда начинаются с определенной концентрации. Если сравнить набор соединений, то все материалы должны иметь такой же молярной концентрации. Лучше всего начать с концентрацией 1 мм и 50 МВ/s скорость сканирования, как указано в протоколе в этом исследовании, но это хорошо знать концентрация образца на Электрохимическое поведение. Всегда стараюсь измерения по меньшей мере три сканирования. Первые два сканирование обычно отличаются, потому что разные стартовые условия (равновесия). Второй и третий сканирования должно быть то же самое. Если второй и третий сканирования являются одинаковыми, то есть вероятно без побочных реакций в этой системе (Рисунок 2a). В процессе окисления новый пик на нижней потенциал появляется, показаны, что проводящие материал был сдан на хранение на мы18,19,24,25,29,30 , 31 , 32. Если высота нижней пик увеличивается в последовательных проверок, то вероятно конъюгированные полимер на хранение18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. Если все течения уменьшение в последовательных проверок, то безабразивный продукта деградации был сдан на хранение на электроде. Если очень небольшой пик наблюдается до основной окисления или уменьшение пик (особенно для полимеров), то это вероятно заряд треппинга процесса19,23,,3134. Если наблюдается очень острый пик dedoping окисления или сокращения, то это вероятно связано с разложение кристаллических структур на электроде, образующихся в процессе electrocrystallization окисление35.
Всегда проверяйте поведение теста соединения до, во время и после redox пиков. Это означает, что по крайней мере три резюме сканирования должен быть зарегистрирован: верхний (в случае окисления) или ниже вершины потенциал выше или ниже, соответственно, то потенциал пик максимума, с потенциалом верхняя или нижняя вершина присвоено именно на максимальный пик и с вершина выше потенциалов (окисления) и нижнего (сокращение) чем потенциал пик максимума. Наблюдается процесс может изменяться и иногда два процесса могут наблюдаться под одной пик теоретически. Всегда Сравните собранных циклических voltammograms электролита (шаг 2.6), ферроцена (шаг 2.9), соединение (шаг 2.13) и ферроцена с соединения (шаг 2.19); Есть несколько вопросов, которые необходимо учитывать.
Всегда сравнивать сигналы CV электролита и тест соединения, если любые сигналы от электролита виден на циклические voltammogram комплекса измерений, то Электролит должен быть изменен, потому что его электрохимических окно слишком низка, или электролит загрязнена. Если сигнал (редокс пара) ферроцена (шаг 2.9) и ферроцена с соединения (шаг 2.19) находятся на той же позиции, то все выполняется должным образом. Если пики сдвинуты друг другу, затем проверьте RE и повторите измерение. Если сигнал (окисление, сокращение или редокс пара потенциальных) соединение с добавил ферроцена (шаг 2.19) теста на высокий потенциал, чем чисто соединения (шаг 2.13), а затем рассмотреть значения (окисление, сокращение или редокс пару потенциальных) циклический voltammogram чистый соединения. Сдвиг вызвана большее количество ферроцена в решении. Когда наблюдаются два процессы окисления, первый процесс (окисление или сокращение), который всегда на WE может повлиять на активную поверхность; Это может привести к увеличению окислительный потенциал второго процесса (рис. 9).
The authors have nothing to disclose.
Авторы с благодарностью признаем финансовую поддержку проекта «Excilight» «Донорно-акцепторной свет светодиодных Exciplexes как материалы для Easy портной ультра-эффективный OLED молния» (H2020-МСКА-ITN-2015/674990), финансируемых Марии Склодовской-Кюри Действия в рамках программы научных исследований и инноваций «Горизонт-2020».
Potentiostat | Metrohm | Autolab PGSTAT100 | |
EPR | JEOL | JES-FA200 | |
UV-Vis detector | Oceanoptics | QE6500 | |
NIR detector | Oceanoptics | NIRQuest | |
Dichloromethane (DCM) | Sigma-Aldrich | 106048 | |
Tetrabutylammonium tetrafluoroborate (Bu4NBF4) | Sigma-Aldrich | 86896 | |
2-propanol, 99.9% | Sigma-Aldrich | 675431 | |
Acetone, 99.9% | Sigma-Aldrich | 439126 | |
Ultrasonic Bath | Elma | S30H | |
Tetrahydrofuran >99.9% | Sigma-Aldrich | 401757 | |
ferrocene >98% | Sigma-Aldrich | F408 | |
decamethylferrocene >97% | Sigma-Aldrich | 378542 |