In diesem Artikel beschreiben wir elektrochemische, Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz und ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spectroelectrochemical Methoden für die Analyse organischer Verbindungen für Anwendung in der organischen Elektronik.
Zyklischer Voltammetrie (CV) ist eine Technik, die in der Analyse von organischen Verbindungen verwendet. Wenn diese Technik mit Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR) oder ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten (UV-Vis-NIR) Spectroscopies kombiniert wird, erhält man nützliche Informationen wie Elektron Affinität, Ionisation Potenzial, die Art der Bandlücke Energien Ladungsträger und Abbau-Informationen, die verwendet werden, um stabile organische elektronische Geräte zu synthetisieren. In dieser Studie stellen wir elektrochemische und Spectroelectrochemical Methoden für die Analyse der Prozesse, die in aktiven Schichten ein Bio-Gerät als auch die erzeugten Ladungsträger.
Weltweit suchen Forscher ständig nach neuen organischen Materialien, die verwendet werden können, in der organischen Elektronik wünschenswert Leistung oder Stabilität, die aufgrund längerem Gebrauch fällt. Bei den Bio-Geräten ist es wichtig zu verstehen, das Verhalten der Ladungsträger vollständig die Regeln, die das Gerät Fahrverhalten kennen. Analyse der Wirkung von der molekularen Struktur auf die Generation der Ladungsträger und die Dynamik und Erhaltung des Gleichgewichts der injizierte Ladungsträger, sowohl positiv (Löcher) und negative (Elektronen), ist entscheidend für die Effizienz und Stabilität zu verbessern der Bio-Geräte. Dies sorgt für die effektive Rekombination dieser individuellen Gebühren und folglich verbessert deutlich die Photolumineszenz Effizienz der organische lichtemittierende Dioden (OLEDs)1,2. Für Organische Photovoltaik (OPV)3,4 , sowie Bio-Feld-Effekt Transistoren (OFETs)5,6ist es notwendig, um Materialien mit hohen Ladung Träger Mobilität haben. Neben der Analyse der Ladungsträger, mehrere wichtige Parameter der organischen Elektroaktive Materialien helfen, vorherzusagen, wo das Material verwendet werden könnten: Ionisation Potenzial (IP), Elektron-Affinität (EA)-Energieniveaus und Bandabstand zwischen ihnen7 ,8,9,10.
In dieser Arbeit präsentieren wir eine Methode für die effiziente Messung der zyklische Voltammetrie (CV), die in der Analyse aller Arten von Elektroaktive Materialien verwendet werden kann. Diese Technik bietet Informationen über Redox-Eigenschaften, doping/dedoping-Mechanismus, die Stabilität, die Umwandlung und Speicherung von Energie, etc.. Es ermöglicht auch für die Abschätzung des Elektrons Affinität und Ionisierung Energie der Testverbindungen gewissermaßen viel billiger und schneller im Vergleich zu anderen hohen Vakuum. Die oben genannten Parameter korrelieren mit den Energieniveaus des höchsten besetzten molekularen Orbital (HOMO) und niedrigsten unbesetzten molekularen Orbital (LUMO).
Die Methode in diesem Artikel vorgestellten kann verwendet werden, um alle Arten von konjugierte Verbindungen z. B. mit delokalisierte π-Elektronen in ihren Strukturen zu analysieren. Konjugierte Verbindungen möglicherweise kleine Moleküle mit großer polymerer Ketten. Kleine Moleküle können Monomere; während die erste Reaktion können (photochemische, elektrochemische oder chemische) Monomeren Polymere bilden. In OLED-Anwendung sind notwendig, das Energieniveau Werte ermöglichen die Verwendung von den korrekten Host für den Sender in eine thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF)-Gast-Host-System oder zu entscheiden, mit denen die Exciplex-Donor-Akzeptor-Schicht Verbindungen könnte sein gebildet und welche zusätzliche Schichten (Electron Transport Layer (ETL) Transport Layer (HTL), Elektron-Sperrschicht (EBL) und Loch Sperrschicht (HBL) Loch) synthetisieren stabilen effizient berechnet werden müssen ausgewogen OLED-Geräte11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. zusätzliche elektrochemische Messungen ermöglichen die Untersuchung der möglichen Nebenwirkungen während der Prozess des Abbaus der aktiven Ebene und die Bildung von niedrigen Mobile Ladungsträger (bipolaron)18,19 ,20,21,22.
Elektrochemischen Kopplung und Spectroelectrochemical Methoden erlaubt einfache, genaue und zuverlässige Bestimmung des Grades der Oxidation oder Reduktion konjugierte Verbindungen und ihren Abbau Potenzial, das entscheidend für Stabilität23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten (UV-Vis-NIR) Spektroskopie gepaart mit Elektrochemie kann chromatische Grundeigenschaften aller neuen konjugierte Verbindungen, z. B. das Ändern der Absorptionsbande bei doping charakterisieren 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
In einer Studie, die im Zusammenhang mit der doping-Mechanismus ist es wichtig, die Art der Ladungsträger zu definieren. In diesem Prozess zwei Klassen von geladenen Quasiteilchen teilnehmen, eine mit unkompensierten Spin (Polaronen) und der zweite diamagnetisch (bipolaron); Elektron-PARAMAGNETISCHE Resonanz (EPR)-Spektroskopie bietet unschätzbare Unterstützung, wodurch direkt zu beobachten und Nachverfolgen von Änderungen in den Bevölkerungen der paramagnetischen Polaronen29,30,31,32 . In kleine Moleküle es ist schwierig, Form bipolaron, aber diese Moleküle können ganz konjugiert und Bipolaron-induzierende Eigenschaften aufweisen; Es ist wichtig zu überprüfen, ob und an dem potenziellen Polaronen und bipolaron sind in der Struktur gebildet. Bipolaron sind mindestens einen Auftrag im Bereich der Mobilität unter dem Polaronen; Daher bipolaron in Arbeitsgeräte gebildet, könnte dann es zu einem unausgewogenen Verhältnis der Ladungsträger, führen die Hochstrom- und Überhitzung des OLED-Geräts führen würde oder möglicherweise auch die Zentren der Abbau33.
Die Methode der Messung in dieser Studie vorgeschlagenen ist billig und schneller und erlaubt die Bestimmung der wertvollsten operativen Parameter für eine große Anzahl von Elektroaktive Materialien ohne die Notwendigkeit für spezielle Geräte, die auf neu synthetisiert basieren Materialien, seine Leistung zu überprüfen. Durch die Anwendung der Elektrochemie und Spectroelectrochemistry, ist es möglich, ein Material auswählen, das wirklich vielversprechend aus Hunderten von neuen Materialien ist. Darüber hinaus ist es möglich, detaillierte Informationen über die Prozesse des Dopings zu erhalten und ihre Auswirkungen auf die chemische Struktur des Tests konjugiert mit elektrochemischen Systemen und Spectroelectrochemical Methoden, wodurch mehr bauen effiziente organische Elektronikgeräte.
Elektrochemische und Spectroelectrochemical Techniken sind keine Grenzen gesetzt; Man kann solid-State und flüssigen Lösungen in einer Vielzahl von Temperatur und anderen Bedingungen mit diesen Techniken analysieren. Das wichtigste in all diesen Fällen ist, dass Verbindungen/Materialien unter der angewandten Potenzial, Replizieren von realen Bedingungen für organische Elektronikgeräte arbeiten analysiert werden. Der einzige Unterschied ist, dass in der Elektrochemie, die Bildung von Ladungsträgern, beobachtet.
Die hier vorgestellten Methoden zeigen den Nutzen der Analyse der geladenen Träger erzeugt in organischen Verbindungen, die mit ihrer Anwendbarkeit in der organischen Elektronik korrelieren. Darüber hinaus die elektrochemischen und Spectroelectrochemical Techniken sind billiger und weniger anspruchsvoll als die typischen Methoden kostenlos Träger Analyse verwendet, aber es gibt einige wichtige Schritte und Änderungen des Protokolls, die je nach Bedarf sind die erzielten Ergebnisse.
Während elektrochemische Charakterisierung beginnen Sie immer mit einer bestimmten Konzentration. Vergleicht man eine Reihe von Verbindungen, dann müssen alle Materialien die gleiche molare Konzentration. Das beste ist, mit zu beginnen 1 mM Konzentration und 50 mV/s Abtastrate, wie im Protokoll in dieser Studie angegeben, aber es ist gut zu wissen, die Konzentration der Probe auf das beobachtete elektrochemischen Verhalten. Immer versuchen Sie, mindestens drei Scans zu messen. Die ersten beiden Scans sind in der Regel anders, weil die Startbedingungen (Gleichgewicht) unterschiedlich sind. Die zweite und die dritte Scans sollten übereinstimmen. Wenn die zweite und dritte Scans identisch sind, dann gibt es wahrscheinlich keine Nebenreaktionen beobachtet in diesem System (Abbildung 2a). In einer Oxidation erscheint ein neuer Peak auf einem niedrigeren Potential zeigt, dass das leitfähige Material auf den WE18,19,24,25,29,30 hinterlegt wurde , 31 , 32. wenn die Höhe der unteren Spitze in aufeinander folgenden Scans erhöht, dann wahrscheinlich konjugierten Polymeren hinterlegten18,19,war24,25,29 , 30 , 31 , 32. wenn die Ströme in aufeinander folgenden Scans zu verringern, dann nichtleitendem Produkt der Abbau auf die Elektrode abgelagert wurde. Wenn eine sehr kleine Spitze vor den wichtigsten Oxidation oder Reduktion Peak (vor allem für Polymere) beobachtet wird, dann ist dies wahrscheinlich kostenlos-Trapping Prozess19,23,31,34. Wenn ein sehr scharfer dedoping Höhepunkt der Oxidation oder Reduktion beobachtet wird, ist dies wahrscheinlich durch die Zersetzung von kristallinen Strukturen auf eine Elektrode, gebildet durch den Electrocrystallization-Prozess während der Oxidation35verursacht.
Überprüfen Sie immer das Verhalten der Testverbindung vor, während und nach der Redox-Gipfel. Es bedeutet, dass mindestens drei CV Scans registriert werden soll: mit oberen (in dem Fall Oxidation) oder untere Scheitelpunkt Potenzial höher oder niedriger, bzw. das Potenzial der Peak Maximum, mit oberen oder unteren Scheitelpunkt Potenzial legen Sie dann auf genau am Peakmaximum und mit Scheitelpunkt Potenziale höher (Oxidation) und unteren (Reduktion) als Potenzial der maximalen Höhepunkt. Der beobachtete Prozess variieren und manchmal zwei Prozesse können theoretisch unter einem Höhepunkt beobachtet werden. Vergleichen Sie immer die gesammelten zyklische Voltammograms des Elektrolyten (Schritt 2,6), Ferrocen (Schritt 2,9), die Verbindung (Schritt 2.13) und Ferrocen mit Compound (Schritt 2.19); Es gibt mehrere Probleme berücksichtigt werden.
Vergleichen Sie immer die CV-Signale von der Elektrolyt und die Testverbindung, wenn keine Signale aus dem Elektrolyten auf die zyklischen Voltammogram der gemessenen Verbindung sichtbar ist, dann das Elektrolyt muss geändert werden, da seine elektrochemische Fenster zu niedrig ist oder die Elektrolyt ist verschmutzt. Wenn das Signal (Redox-Paar) von Ferrocen (Schritt 2,9) und Ferrocen mit Compound (Schritt 2.19) an der gleichen Position sind, ist dann alles richtig durchgeführt. Wenn die Gipfel zwischen einander verschoben werden, dann überprüfen Sie das Rück und wiederholen Sie die Messung. Wenn das Signal (Oxidation, Reduktion oder Redox-paar potentielle) der Testverbindung mit zusätzlichen Ferrocen (Schritt 2.19) auf ein höheres Potential als das reine compound (Schritt 2.13), dann überlegen die Werte (Oxidation, Reduktion oder Redox-paar potentielle) aus die zyklischen Voltammogram der reinen Substanz. Die Verschiebung wird durch den höheren Betrag von Ferrocen in der Lösung verursacht. Wenn zwei Oxidationsprozesse eingehalten werden, kann der erste Prozess (Oxidation oder Reduktion) ist immer auf die WE die aktive Oberfläche auswirken; Dadurch kann eine Zunahme in der Oxidationspotential des zweiten Prozesses (Abbildung 9).
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren dankbar anerkennen die finanzielle Unterstützung der “Excilight” Projekt “Donor-Akzeptor Light Emitting Exciplexes als Material für die Easy-Schneider Hocheffiziente OLED-Lightning” (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finanziert durch Marie Skłodowska-Curie Aktionen innerhalb des Rahmenprogramms für Forschung und Innovation “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 |