Dans cet article, nous décrivons électrochimique, résonance paramagnétique électronique et les méthodes de spectroélectrochimiques ultraviolet-visible et proche infrarouge pour l’analyse des composés organiques pour application en électronique organique.
Voltamétrie cyclique (CV) est une technique utilisée dans l’analyse de composés organiques. Lorsque cette technique est combinée avec la résonance paramagnétique électronique (RPE) ou ultraviolet-visible et proche infrarouge spectroscopies (UV-Vis-NIR), nous obtenons des informations utiles telles que le type de, énergies de bande interdite, potentiel d’ionisation, affinité électronique porteurs de charge et les informations de dégradation qui peuvent être utilisées pour synthétiser des dispositifs Electroniques organiques stables. Dans cette étude, nous présentons électrochimiques et spectroélectrochimiques méthodes pour analyser les processus qui se produisent dans les couches actives d’un dispositif organique ainsi que les porteurs de charge générée.
Dans le monde entier, chercheurs cherchent continuellement de nouvelles matières organiques qui peuvent être utilisés dans l’électronique organique performant souhaitable ou stabilité, ce qui diminue en raison d’une utilisation prolongée. Dans le cas de dispositifs organiques, il est important de comprendre le comportement du porteur de la charge à bien connaître les règles du comportement du dispositif de conduite. Analyse de l’effet de la molecular structure sur la génération de porteur de la charge et la dynamique et le maintien de l’équilibre injecté des porteurs de charge, les deux résultats positifs (trous) et négatives (électrons), est cruciale pour améliorer l’efficacité et la stabilité des dispositifs organiques. Cela garantit la recombinaison efficace de ces charges individuelles et par conséquent améliore considérablement l’efficacité de la photoluminescence de l’électroluminescent organique à diodes (OLED)1,2. Pour le photovoltaïque organique (pollinisation)3,4 , ainsi que le champ organique effet transistors (OFETs)5,6, il est nécessaire de disposer de matériaux avec mobilité de porteur de charge élevée. Outre l’analyse des porteurs de charge, plusieurs paramètres importants de matériaux électroactifs organique aident à prédire où le matériau pourrait être utilisé : potentiel d’ionisation (pi), les niveaux d’énergie électronique affinité (EA) et bande interdite entre eux7 ,8,9,10.
Dans ce travail, nous présentons une méthode pour la mesure efficace de voltampérométrie cyclique (CV) qui peut être utilisé dans l’analyse de tous les types de matériaux électroactifs. Cette technique fournit des informations sur les propriétés redox, le mécanisme de dopage/dedoping, la stabilité, la conversion et le stockage d’énergie, etc.. Il permet également l’estimation de l’énergie des électrons affinité et ionisation des composés test une manière beaucoup moins cher et plus rapide par rapport aux autres méthodes sous vide élevés. Les paramètres susmentionnés sont corrélés avec les niveaux d’énergie de l’orbitale moléculaire occupée plus élevé (HOMO) et plus bas inoccupé orbitale moléculaire (LUMO).
La méthode présentée dans cet article peut être utilisée pour analyser tous les types de composés conjugués tels que ceux avec les électrons π délocalisés dans leurs structures. Composés conjugués peuvent être petites molécules ayant des grandes chaînes polymériques. Petites molécules peuvent également être des monomères ; au cours de la réaction initiale des monomères (photochimiques, électrochimiques ou chimiques) peuvent former des polymères. En application de l’OLED, les valeurs de niveau d’énergie sont nécessaires pour permettre l’utilisation de l’hôte correct pour l’émetteur dans un thermiquement activées retardé système chef invité par fluorescence (TADF) ou pour décider avec qui des composés la couche de donneur-accepteur exciplexe pourrait être formé et quelles épaisseurs supplémentaires (electron transport couche (ETL), trou transport couche (HTL), couche de blocage électron (EBL) et couche de blocage trou (HBL)) sera nécessaires pour synthétiser stable chargé efficacement équilibrés dispositifs OLED11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. autres mesures électrochimiques permettent l’étude des réactions secondaires possibles au cours du processus de dégradation de la couche active et la formation de basse mobile porteurs de charge (bipolarons)18,19 ,20,21,22.
Couplage électrochimique et spectroélectrochimiques méthodes permettant la détermination facile, précise et fiable du degré d’oxydation ou réduction de composés conjugués et leur dégradation potentielle, qui est cruciale pour la stabilité23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultraviolet-visible et proche infrarouge spectroscopie (UV-Vis-NIR) couplée à l’électrochimie peut caractériser les propriétés chromatiques fondamentales de tous les nouveaux composés conjugués, tels que le changement de la bande d’absorption au cours de dopage 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
Dans une étude concernant le mécanisme de dopage, il est important de définir le type de porteurs de charge. Dans ce processus, deux classes de quasi-particules chargées participent, un avec spin sans compensation (polarons) et le second étant diamagnétique (bipolarons) ; par spectroscopie de résonance paramagnétique (EPR) fournit une aide indispensable, ce qui permet directement d’observer et de suivre les changements dans les populations de paramagnétique polarons29,30,31,32 . Dans les petites molécules, il est difficile de forme bipolarons, mais ces molécules peuvent être conjugués assez et ont des propriétés inductrices de bipolaron ; Il est important de vérifier si et au cours de laquelle les potentiels polarons et bipolarons se forment dans la structure. Bipolarons sont au moins un ordre inférieur en mobilité à celui de polarons ; par conséquent, si bipolarons se forment dans les dispositifs de travail, alors il pourrait conduire à un ratio déséquilibré les porteurs de charge, qui se traduirait par un courant élevé et une surchauffe de l’appareil OLED ou peut-être les centres de dégradation33.
La méthode de mesure proposé dans cette étude est bon marché et plus rapide et permet la détermination des paramètres du dispositif plus précieux pour un grand nombre de matériaux électroactifs sans besoin de dispositifs spéciaux basés sur nouvellement synthétisé matériaux pour vérifier ses performances. En appliquant l’électrochimie et spectroélectrochimie, il est possible de choisir un matériau qui est vraiment prometteur parmi la centaine de nouveaux matériaux. En outre, il est possible d’obtenir des informations détaillées sur les processus de dopage et leurs effets sur la structure chimique de l’essai conjugué systèmes électrochimiques et spectroélectrochimiques méthodes, ce qui permet de construire plus dispositifs de l’électronique organique efficace.
Techniques électrochimiques et spectroélectrochimiques n’avoir aucune restriction ; On peut analyser tant à l’état solide et des solutions liquides dans un large éventail de conditions de température et autres avec ces techniques. La chose importante dans tous ces cas, c’est que les composés/matériaux sont analysées sous le potentiel appliqué, reproduisant les conditions du monde réel pour l’utilisation des dispositifs de l’électronique organique. La seule différence est que, en électrochimie, la formation de porteurs de charge, est observée.
Les méthodes présentées ici montrent l’utilité de l’analyse des transporteurs chargés générée en composés organiques qui sont en corrélation avec leur applicabilité dans l’électronique organique. En outre, les techniques électrochimiques et spectroélectrochimiques sont moins cher et moins exigeante que celle des méthodes typiques utilisées dans l’analyse de porteur de charge, mais il y a des étapes critiques et modifications au protocole qui sont nécessaires selon le résultats obtenus.
Au cours de la caractérisation électrochimique, toujours commencer avec une concentration particulière. Si l’on compare un ensemble des composés, puis tous les matériaux ont besoin d’avoir la même concentration molaire. Le mieux est de commencer par la concentration de 1 mM et 50 mV/s scan taux comme il est indiqué dans le protocole de cette étude, mais il est bon de connaître la concentration de l’échantillon sur le comportement électrochimique observé. Toujours essayer de mesurer au moins trois balayages. Les deux premiers scans sont habituellement différents parce que les conditions initiales (équilibre) sont différentes. La deuxième et la troisième analyse devrait être le même. Si les scans de deuxième et troisième sont les mêmes, il n’y a probablement aucune réactions secondaires observées dans ce système (Figure 2 a). Dans un processus d’oxydation, un nouveau record à un potentiel inférieur s’affiche indiquant que le matériau conducteur a été déposé sur le WE18,19,24,25,29,30 , 31 , 32. Si la hauteur de la crête inférieure augmente dans les analyses successives, le polymère conjugué était probablement déposé18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. si tous les courants diminuent dans les analyses successives, la conductrice produit de dégradation a été déposé sur l’électrode. Si l’on observe un pic très faible avant l’oxydation principale ou le pic de réduction (en particulier des polymères), alors c’est probablement responsable piégeage processus19,23,31,34. Si l’on observe un pic de dedoping très forte d’oxydation ou de réduction, alors c’est probablement causé par la décomposition des structures cristallines sur une électrode formée à travers le processus électrocristallisation durant l’oxydation35.
Toujours vérifier le comportement de l’essai composé avant, pendant et après les sommets de l’oxydo-réduction. Cela signifie qu’au moins trois balayages de CV doivent être enregistrés : avec le plus faible potentiel de vertex inférieure ou supérieure ou supérieur (dans l’affaire oxydation), respectivement, puis le potentiel du maximum du pic, sommet inférieur ou supérieur potentiel valeur exactement sur le pic maximal et avec Sommet des potentiels plus élevés (oxydation) et inférieur (réduction) du potentiel de la valeur maximale de crête. Le processus observé peuvent varier et parfois deux processus peuvent être observées sous une crête théoriquement. Toujours comparer les voltampérogrammes cycliques recueillies de l’électrolyte (étape 2.6), le ferrocène (étape 2,9), le composé (étape 2.13) et le ferrocène avec composé (étape 2.19) ; Il y a plusieurs questions à prendre en compte.
Comparez toujours les signaux de CV de l’électrolyte et la substance, à tester si tous les signaux de l’électrolyte est visible sur le voltamogramme cyclique du composé mesuré, puis l’électrolyte doit être changé car sa fenêtre électrochimique est trop faible, ou la électrolyte est contaminée. Si le signal (couple redox) du ferrocène (étape 2,9) et le ferrocène avec composé (étape 2.19) sont à la même position, puis tout est exécutée correctement. Si les sommets sont décalés entre eux, puis vérifiez le RE et recommencez la mesure. Si le signal (oxydation, réduction ou couple rédox potentiels) de la substance avec le ferrocène ajouté (étape 2.19) d’essai est à un potentiel plus élevé que celui de la pure composé (étape 2.13), puis examiner les valeurs (oxydation, réduction ou redox couple potentiel) de le voltamogramme cyclique du composé pur. Le changement est causé par le montant le plus élevé du ferrocène dans la solution. Lorsqu’on observe les deux procédés d’oxydation, le premier processus (oxydation ou réduction) qui est toujours sur le WE susceptibles d’affecter la surface active ; Cela peut provoquer une augmentation du potentiel d’oxydation concernant le deuxième processus (Figure 9).
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs remercient l’appui financier du projet « Excilight » « Donneur-accepteur Light Emitting Exciplexes comme matériaux pour facile-à-tailleur foudre OLED ultra efficace » (H2020-ACEM-ITN-2015/674990) financé par Marie Skłodowska-Curie Actions dans le cadre du programme de recherche et d’innovations « Horizon-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 |