I denne artikel vil vi beskrive elektrokemiske, elektron paramagnetisk resonans og ultraviolet-synlige og nær-infrarødt spectroelectrochemical metoder til at analysere organiske forbindelser til anvendelse i økologisk elektronik.
Cyklisk voltammetry (CV) er en teknik, der anvendes i analysen af organiske forbindelser. Når denne teknik er kombineret med elektron paramagnetisk resonans (EPR) eller ultraviolet-synlige og nær-infrarødt (UV-Vis-NIR) spectroscopies, får vi nyttige oplysninger som elektron affinitet, ioniseringspotentiale, band-gap energier, type af beregning transportvirksomheder, og forringelse af oplysninger, der kan bruges til at syntetisere stabilt organisk elektroniske enheder. I denne undersøgelse præsenterer vi elektrokemiske og spectroelectrochemical metoder til at analysere de processer, der forekommer i aktive lag af en organisk enhed samt luftfartsselskaberne, der genererede afgift.
På verdensplan, søger forskere hele tiden efter nye organiske materialer, der kan bruges i økologisk elektronik med ønskeligt ydeevne eller stabilitet, som falder på grund af længere tids brug. For økologiske enheder er det vigtigt at forstå adfærd afgift luftfartsselskabets fuldt kende reglerne kørsel enheden adfærd. Analyse af effekten af den molekylære struktur på generation af afgift luftfartsselskab og dynamik og vedligeholdelse af balance af injicerede beregning transportvirksomheder, både positive (huller) og negative (elektroner), er afgørende for at forbedre effektivitet og stabilitet af de økologiske enheder. Dette sikrer den effektive rekombination af disse individuelle afgifter og dermed væsentligt forbedrer fotoluminescens effektiviteten af organisk lysemitterende dioder (OLED)1,2. For organiske solceller (OPVs)3,4 samt økologiske felt effekt transistorer (OFETs)5,6er det nødvendigt at have materialer med høj afgift luftfartsselskabet mobilitet. Ud over analysen af afgift luftfartsselskaber, flere vigtige parametre i økologisk electroactive materialer hjælpe til at forudsige, hvor materialet kunne anvendes: ioniseringspotentiale (IP), elektron affinitet (EA) energiniveauer og band-kløften mellem dem7 ,8,9,10.
I dette arbejde præsenterer vi en metode til effektiv måling af cyklisk voltammetry (CV), der kan bruges i analysen af alle typer af electroactive materialer. Denne teknik giver oplysninger om redox egenskaber, doping/dedoping mekanisme, stabilitet, konvertering og opbevaring af energi, osv. Det giver også mulighed for vurdering af elektron affinitet og ionisering energi af test forbindelser i en meget billigere og hurtigere måde i forhold til andre højt vakuum metoder. De ovennævnte parametre korrelerer med energi-niveauer af højeste besatte molekylære orbital (HOMO) og lavest ubesatte molekylære orbital (LUMO).
Metoden fremlægges i denne artikel kan bruges til at analysere alle typer af konjugeret forbindelser som dem med delocalized π-elektroner i deres strukturer. Konjugeret forbindelser kan være små molekyler med store polymere kæder. Små molekyler kan også være monomerer; under den første reaktion kan (fotokemisk, elektrokemiske eller kemiske) monomerer danne polymerer. I OLED ansøgning er energi niveau værdier nødvendige for at muliggøre brug af den korrekte vært for emitter i en termisk aktiveret forsinket fluorescens (TADF) guest-hostsystem eller for at beslutte, som forbindelser exciplex donor-acceptor lag kunne være dannes og hvilke yderligere lag (elektron transport af lag (ETL), hul transport af lag (HTL), elektron blokering lag (kvægleukose) og hul blokering lag (HBL)) vil være nødvendigt at syntetisere stabil effektivt opkrævet afbalanceret OLED enheder11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. yderligere elektrokemiske målinger tillade undersøgelse mulig side reaktioner under processen med nedbrydning af det aktive lag og dannelsen af lav mobiltelefon opkræve luftfartsselskaber (bipolarons)18,19 ,20,21,22.
Kobling elektrokemiske og spectroelectrochemical metoder giver mulighed for let, præcis og pålidelig bestemmelse af graden af oxidation eller reduktion af konjugeret forbindelser og deres potentielle, nedbrydning, som er afgørende for stabiliteten23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultraviolet-synlige og nær-infrarødt (UV-Vis-NIR) spektroskopi kombineret med elektrokemi kan karakterisere de grundlæggende kromatiske karakteristika for alle nye konjugeret forbindelser, såsom ændring af absorption bandet under doping 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
I en undersøgelse, der er relateret til mekanismen for doping, er det vigtigt at definere typen beregning transportvirksomheder. I denne proces, to klasser af ladede quasiparticles deltage, ene med ukompenserede spin (polarons) og den anden er diamagnetic (bipolarons); elektron paramagnetisk resonans (EPR) spektroskopi giver uvurderlig bistand, der direkte gør det muligt at observere og registrere ændringer i populationer af Paramagnetiske polarons29,30,31,32 . I små molekyler, er det vanskeligt at form bipolarons, men disse molekyler kan være ganske konjugeret og har bipolaron-inducerende egenskaber; Det er vigtigt at kontrollere, om og hvor potentielle polarons og bipolarons er dannet i strukturen. Bipolarons er mindst én ordre lavere i mobilitet end for polarons; Derfor, hvis bipolarons er dannet i orden enheder, så det kunne føre til en ubalanceret forholdet mellem luftfartsselskaberne, afgift, som ville resultere i høj strøm og overophedning af OLED-enhed eller kan meget vel være centrene for nedbrydning33.
Målemetoden, der foreslås i denne undersøgelse er billige og hurtigere og giver mulighed for bestemmelse af de mest værdifulde udløsende parametre for et stort antal electroactive materialer uden behov for særlige enheder, der er baseret på nyligt syntetiserede materialer til at kontrollere dens ydeevne. Ved at anvende elektrokemi og spectroelectrochemistry, er det muligt at vælge et materiale, der er virkelig lovende fra hundredvis af nye materialer. Derudover er det muligt at få detaljerede oplysninger om processerne af doping og deres effekter på den kemiske struktur af testen konjugeret systemer ved hjælp af elektrokemiske og spectroelectrochemical metoder, som giver mulighed for opbygningen af mere effektiv økologisk elektronik hjælpemidler.
Elektrokemiske og spectroelectrochemical teknikker har ingen begrænsninger; man kan analysere både solid state og flydende løsninger i en bred vifte af temperatur og andre tilstande med disse teknikker. Det vigtige i alle disse tilfælde er, at forbindelser/materialer er analyseret under den anvendte potentiale, replikerende virkelige verden betingelser for arbejder økologisk elektronik hjælpemidler. Den eneste forskel er, at i elektrokemi, overholdes dannelsen af beregning transportvirksomheder.
De metoder, der præsenteres her Vis nytten af analysen af ladede luftfartsselskaber genereret i organiske forbindelser, der korrelerer med deres anvendelighed i økologisk elektronik. Desuden de elektrokemiske og spectroelectrochemical teknikker er billigere og mindre krævende end typiske metoder, der anvendes i afgift carrier analyse, men der er nogle kritiske trin og ændringer i protokollen, der er nødvendige for afhængig af den opnåede resultater.
Under elektrokemiske karakterisering, altid starte med en bestemt koncentration. Hvis et sæt af forbindelser, der sammenlignes, skal alle materialer har de samme molære koncentration. Bedst er at starte med 1 mM koncentration og 50 mV/s scan rate som anført i protokollen i denne undersøgelse, men det er godt at vide koncentration af stikprøven på den observerede elektrokemiske adfærd. Altid forsøge at måle mindst tre scanninger. De to første scanninger er normalt forskellige, fordi de starte betingelser (ligevægt) er forskellige. Andet og de tredje scanninger bør være den samme. Hvis de anden og tredje scanninger er de samme, er der sandsynligvis ingen side reaktioner observeret i dette system (figur 2a). I en oxidation proces vises et nyt højdepunkt på et lavere potentiale, viser, at den ledende materiale blev deponeret på WE18,19,24,25,29,30 , 31 , 32. Hvis højden af den lavere toppen øger i efterfølgende scanninger, så formentlig den konjugerede polymer var deponerede18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. Hvis alle strømme mindske i efterfølgende scanninger, så den ledende produkt af nedbrydning blev deponeret på elektroden. Hvis en meget lille peak er observeret før vigtigste oxidation eller reduktion peak (især for polymerer), er det sandsynligvis charge-fældefangst proces19,23,31,34. Hvis en meget skarp dedoping peak af oxidation eller reduktion er observeret, er så dette sandsynligvis forårsaget af nedbrydning af krystallinske strukturer på en elektrode dannet gennem electrocrystallization under oxidation35.
Altid kontrollere funktionsmåden for den sammensatte før, under og efter redox toppe test. Det betyder, at mindst tre CV scanninger bør registreres: med øverste (i sagen oxidation) eller lavere vertex potentielt lavere eller højere, henholdsvis, derefter potentiale af peak maksimum, med øvre eller nedre vertex potentiale sat til præcis på den maksimale peak og med vertex potentialer højere (oxidation) og lavere (reduktion) end af peak maksimale potentiale. Den observerede proces kan variere og nogle gange to processer kan ses under ét peak teoretisk. Altid sammenligne de indsamlede cyklisk voltammograms af elektrolyt (trin 2.6), ferrocene (trin 2.9), sammensatte (trin 2.13) og ferrocene med sammensatte (trin 2.19); der er flere spørgsmål, der tages i betragtning.
Altid sammenligne CV signalerne af elektrolytten, og den sammensatte, test, hvis nogen signaler fra elektrolytten er synlig på den cykliske voltamogram af den målte sammensatte, derefter elektrolytten skal ændres, fordi dens elektrokemiske vindue er for lavt, eller elektrolyt er forurenet. Hvis signalet (redox par) af ferrocene (trin 2.9) og ferrocene med sammensatte (trin 2.19) er på den samme position, er så alt udført korrekt. Hvis toppene er flyttet mellem hinanden, så check RE og Gentag målingen. Hvis signalet (oxidation, reduktion eller redox par potentielle) af testen sammensatte med ekstra ferrocene (trin 2.19) er på et højere potentiale end de rene sammensatte (trin 2.13), derefter overveje værdier (oxidation, reduktion eller redox par potentielle) fra den cykliske voltamogram af det rene stof. Skiftet er forårsaget af den højere mængde af ferrocene i opløsningen. Når to oxidations processer overholdes, kan den første proces (oxidation eller reduktion), som er altid på vi påvirke den aktive overflade; Dette kan forårsage en stigning i oxidation potentialet i den anden proces (fig. 9).
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne parlamentsarbejdet økonomisk støtte fra “Excilight” projekt “Donor-Acceptor Light Emitting Exciplexes som materialer til Easy-til-skræddersy ultraeffektive OLED lyn” (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finansieret af Marie Skłodowska-Curie Aktioner inden for rammeprogrammet for forskning og innovation “Horisont 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 |