Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

פיתוח של OLEDs יעילים מתצהיר פתרונות

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

מוצג כאן פרוטוקול לייצור דיודות פולטות אור אורגניות יעילות, פשוטות, בעלות שוקעות פתרון, עם גלגול נמוך.

Abstract

השימוש בפולטים אורגניים יעילים ביותר המבוססים על תפיסת הפלואורסצנציה המושהית המופעלת תרמית (TADF) מעניין בשל היעילות הקוונטית הפנימית שלהם ב-100%. מוצגת כאן שיטת תצהיר פתרון לייצור דיודות פולטות אור אורגניות יעילות (OLEDs) המבוססות על פולט TADF במבנה התקן פשוט. ניתן להשתמש בתהליך מהיר, זול ויעיל זה עבור כל שכבות פליטת OLED התואמות את הרעיון של מארח-אורח. השלבים הבסיסיים מתוארים יחד עם מידע הכרחי עבור רבייה נוספת. המטרה היא ליצור פרוטוקול כללי שניתן להתאים בקלות לפולטים אורגניים עיקריים הנמצאים כעת במחקר ופיתוח.

Introduction

העלייה באלקטרוניקה האורגנית המשמשת בחיי היומיום הפכה למציאות שאין דומה לה. מבין מספר יישומים אלקטרוניים אורגניים, OLEDs הם אולי האטרקטיביים ביותר. איכות התמונה, הרזולוציה וטוהר הצבעים שלהם הפכו את ה-OLEDs לבחירה העיקרית עבור צגים. יתר על כן, לאפשרות להשיג פליטת שטח גדולה ב- OLEDs דקים במיוחד, גמישים, קלי משקל וקלים לכוונון צבע יש יישומים בתאורה. עם זאת, כמה בעיות טכנולוגיות הקשורות לתהליך הייצור בפולטים שטח גדול דחו את המשך היישום.

כאשר ה-OLED הראשון עובד במתחים המופעלים נמוך1, תוכננו פרדיגמות חדשות לתאורת מצב מוצק, אם כי עם יעילות קוונטית חיצונית נמוכה (EQE). ה- OLED EQE מתקבל על ידי היחס בין פוטונים הנפלטים (אור) לנשאים חשמליים מוזרקים (זרם חשמלי). אומדן תיאורטי פשוט עבור ה- EQE המרבי הצפוי שווה ל- ηהחוצה x ηint 2. ניתן להעריך את היעילות הפנימית (ηint) על ידי ηint = γ x x Equation 1 ΦPL, כאשר γ מתאימה לגורם מאזן המטען, ΦPL היא התפוקה הקוונטית הפוטו-לומינסנציה (PLQY), והיא Equation 1 היעילות של יצירת אקסיטון פולט (זוג חורי אלקטרונים). לבסוף, ηהחוצה היא יעילות ה-outcoupling2. אם לא לוקחים בחשבון את ה-outcoupling, תשומת הלב מתמקדת בשלושה נושאים: (1) עד כמה החומר יעיל ביצירת אקסיטונים שעושים רקומבינציה רדיאטיבית, (2) עד כמה השכבות הפולטות יעילות, ו-(3) עד כמה מבנה המכשיר יעיל בקידום מערכת חשמלית מאוזנת היטב3.

לפולט אורגני פלואורסצנטי טהור יש רק 25% יעילות קוונטית פנימית (IQE). על פי כללי הספין, המעבר הרדיאטיבי משלישייה לסינגלט (T→S) אסור4. לכן, 75% מהמובילים החשמליים הנרגשים אינם תורמים לפליטת פוטונים5. בעיה זו התגבשה לראשונה באמצעות מתכות מעבר ב-OLEDs 6,7,8,9,10 של זרחן פולט אורגני, כאשר על פי הדיווחים ה-IQE היה קרוב ל-100%11,12,13,14,15,16 . זאת בשל צימוד ספין-מסלול בין התרכובת האורגנית למתכת המעבר הכבדה. החיסרון בפולטים כאלה הוא העלות הגבוהה שלהם ויציבות ירודה. לאחרונה, דיווחים על סינתזה כימית של תרכובת אורגנית טהורה עם הפרדת אנרגיה נמוכה בין השלישייה הנרגשת למצבי סינגלט (∆EST) על ידי Adachi17,18 הולידו מסגרת חדשה. למרות שאינוחדש 19, ההעסקה המוצלחת של תהליך TADF ב- OLEDs אפשרה להשיג יעילות גבוהה ללא שימוש במתחמי מתכת מעבר.

בפולטים אורגניים נטולי מתכת כאלה, קיימת סבירות גבוהה שהנשאים הנרגשים במצב של שלישייה יתאכלסו למצב הסינגלט; לכן, IQE יכול להשיג מגבלה תיאורטית של 100%5,20,21,22. חומרי TADF אלה מספקים אקסיטונים שיכולים להתאושש באופן רדיאטיבי. עם זאת, פולטים אלה דורשים פיזור במארח מטריצה כדי למנוע מרווה פליטהשל 3,20,21,23,24 בקונספט מארח-אורח. בנוסף, יעילותו תלויה באופן שבו המארח (מטריצה אורגנית) מותאם לחומר האורח (TADF)25. כמו כן, יש צורך באידיאליזציה של מבנה המכשיר (כלומר, שכבות דקות, חומרים ועובי) כדי להשיג מכשיר מאוזן חשמלית (שיווי משקל בין חורים ואלקטרונים כדי למנוע אובדן)26. השגת מערכת מארח-אורח הטובה ביותר עבור מכשיר מאוזן חשמלית היא חיונית להגדלת ה- EQE. במערכות מבוססות TADF, זה לא פשוט, בשל השינויים בניידות המוביל החשמלי ב- EML שאינם מכוונים בקלות.

עם פולטי TADF, ערכי EQE הגדולים מ- 20% קלים להשגה26,27,28,29. עם זאת, מבנה המכשיר מורכב בדרך כלל משלוש עד חמש שכבות אורגניות (הובלה/חסימה של חורים ושכבות הובלה/חסימה של אלקטרונים, HTL/HBL ו-ETL/EBL, בהתאמה). בנוסף, הוא מיוצר באמצעות תהליך אידוי תרמי בעלות גבוהה, מורכב מבחינה טכנולוגית, וכמעט רק עבור יישומי תצוגה. בהתאם לרמות HOMO (האורביטל המולקולרי הכבוש הגבוה ביותר) ו- LUMO (האורביטל המולקולרי הפנוי הנמוך ביותר), הניידות החשמלית של הנשאים והעובי, כל שכבה יכולה להזריק, להעביר ולחסום נשאים חשמליים ולהבטיח רקומבינציה בשכבה הפולטת (EML).

הפחתת מורכבות המכשיר (למשל, מבנה פשוט של שתי שכבות) גורמת בדרך כלל לירידה ניכרת של EQE, לעיתים לפחות מ-5%. זה קורה בגלל ניידות האלקטרונים והחורים השונים ב- EML, והמכשיר הופך להיות לא מאוזן מבחינה חשמלית. לכן, במקום היעילות הגבוהה של יצירת אקסיטון, יעילות הפליטה ב- EML הופכת נמוכה. יתר על כן, גלגול מורגש מתרחש עם ירידה חזקה של EQE ככל שהבהירות עולה, בשל הריכוז הגבוה של אקסיטונים במתח מופעל גבוה ואורך חיים ארוך נרגש 24,30,31. התגברות על בעיות כאלה דורשת יכולת חזקה לתפעל תכונות חשמליות של השכבה הפולטת. עבור ארכיטקטורת OLED פשוטה המשתמשת בשיטות שהופקדו בפתרון, ניתן לכוונן את התכונות החשמליות של ה- EML על ידי פרמטרי הכנת הפתרון והתצהיר32.

שיטות תצהיר פתרונות עבור התקנים מבוססי אורגניות שימשו בעבר31. ייצור OLED, בהשוואה לתהליך האידוי התרמי, הוא בעל עניין רב בשל המבנה הפשוט שלהם, עלות נמוכה וייצור שטח גדול. עם הצלחה גבוהה במתחמי מתכת מעבר OLEDs, המטרה העיקרית היא להגדיל את שטח הפולט אך לשמור על מבנה המכשיר פשוט ככל האפשר33. שיטות כגון גליל לגליל (R2R)34,35,36, הדפסת הזרקת דיו37,38,39 ומות חריץ40 יושמו בהצלחה בייצור רב-שכבתי של OLEDs, שהיא גישה תעשייתית אפשרית.

למרות שיטות תצהיר פתרונות לשכבות אורגניות המשמשות כבחירה טובה לפישוט ארכיטקטורת התקנים, לא כל החומרים הרצויים ניתנים להפקדה בקלות. שני סוגים של חומרים משמשים: מולקולות קטנות ופולימרים. בשיטות תצהיר תמיסה, למולקולות קטנות יש כמה חסרונות, כגון אחידות סרט דק ירודה, התגבשות ויציבות. לפיכך, פולימרים משמשים בעיקר בשל היכולת ליצור סרטים דקים אחידים עם חספוס פני השטח נמוך על מצעים גדולים וגמישים. יתר על כן, החומרים צריכים להיות מסיסים טובה בממס המתאים (בעיקר אלה אורגניים כמו כלורופורם, chlorobenzene, dichlorobenzene, וכו '), מים, או נגזרות אלכוהול.

מלבד בעיית המסיסות, יש צורך להבטיח כי ממס המשמש בשכבה אחת לא צריך לשמש אחד עבור השכבה הקודמת. זה מאפשר מבנה רב שכבתי שהופקד על ידי תהליך רטוב; עם זאת, ישנן מגבלות41. מבנה ההתקן הטיפוסי ביותר משתמש בכמה שכבות שהופקדו בתמיסה (כלומר, זו הפולטת) ובשכבה אחת שהתאיידה תרמית (ETL). בנוסף, הומוגניות הסרט הדק והמורפולוגיה תלויים מאוד בשיטות ובפרמטרים של התצהיר. הובלת מטען חשמלי דרך שכבות אלה נשלטת לחלוטין על ידי מורפולוגיה כזו. אף על פי כן, יש לקבוע פשרה בין המכשיר הסופי הרצוי לבין תאימות של תהליך הייצור. התאמת פרמטרי התצהיר היא מפתח להצלחה, למרות היותה עבודה גוזלת זמן. לדוגמה, ציפוי הספין אינו טכניקה פשוטה. למרות שזה נראה פשוט, ישנם מספר היבטים של היווצרות סרט דק מפתרון על גבי מצע מסתובב הדורשים תשומת לב.

מלבד אופטימיזציה של עובי הסרט, מניפולציה של מהירות ספינינג וזמן (עובי הוא דעיכה מעריכית של שני הפרמטרים), יש להתאים גם את פעולות הנסיין כדי להשיג תוצאות טובות. פרמטרים נכונים תלויים גם בצמיגות הפתרון, באזור התצהיר ובזווית הרטיבות/מגע של התמיסה על המצע. אין קבוצות ייחודיות של פרמטרים. רק הנחות יסוד עם התאמות ספציפיות לתמיסה/מצע מניבות את התוצאות הרצויות. יתר על כן, התכונות החשמליות התלויות בקונפורמציה המולקולרית של השכבה ובמורפולוגיה יכולות להיות מותאמות לתוצאות הרצויות, בהתאם לפרוטוקול המתואר כאן. לאחר השלמתו, התהליך הוא פשוט ואפשרי.

עם זאת, הפחתת מורכבות מבנה המכשיר מובילה לירידה מקסימלית ב- EQE; אמנם, פשרה יכולה להיות מושגת במונחים של יעילות לעומת בהירות. מכיוון שפשרה כזו מאפשרת יישומים מעשיים, עודף של תהליך פשוט, תואם שטח גדול, ועלות נמוכה יכול להפוך למציאות. מאמר זה מתאר דרישות אלה וכיצד לפתח מתכון לטיפול בבעיות הנדרשות.

הפרוטוקול מתמקד בפולט TADF ירוק 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)פניל)-1,3,4-oxadiazole]42 כאורח במטריצה מארחת המורכבת מ-PVK [פולי(N-vinylcarbazole)] ו-OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene], אשר מתאים ל-EML. נעשה שימוש בשכבת הובלת אלקטרונים (ETL) של TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)benzene]. הן פונקציות העבודה של האנודה והן של הקתודה ממוטבות. האנודה מורכבת מ-ITO (תחמוצת בדיל אינדיום) עם פולימר מוליך גבוה PEDOT:PSS [פולי(3,4-אתילנדיוקסיתיופן)-פולי(סטירנסולפונט)], והקתודה מורכבת משכבה כפולה של אלומיניום ו-LiF (ליתיום פלואוריד).

לבסוף, גם ה-PEDOT:PSS וגם ה-EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) מופקדים על ידי ציפוי ספין, בעוד ש-TmPyPb, LiF ו-Al מתאדים תרמית. בהתחשב באופי דמוי המתכת המוליך של PEDOT:PSS, המכשיר הוא טיפוסי "שתי שכבות אורגניות" במבנה הפשוט ביותר האפשרי. ב- EML, אורח TADF (10% wt.) מפוזר במארח (90% wt.) המורכב מ- PVK0.6+OXD-70.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

אזהרה: הצעדים הבאים כרוכים בשימוש בממיסים שונים ובחומרים אורגניים, ולכן יש לנקוט בזהירות נאותה בעת הטיפול. השתמש במכסה האדים ובציוד המגן כגון משקפי מעבדה, מסכות פנים, כפפות ומעילי מעבדה. שקילה של החומרים צריכה להיעשות במדויק באמצעות מכונת קנה מידה ברמת דיוק גבוהה. כדי להבטיח ניקיון של המצעים, תצהיר פתרון של סרטים דקים, אידוי, מומלץ כי כל ההליכים להתבצע בסביבה מבוקרת או תא כפפות. לפני השימוש במעיל ספין, מיקרופיפטים, מאיידים תרמיים, חומרים אורגניים וממסים, יש להתייעץ עם כל גיליונות נתוני הבטיחות.

1. הכנת פתרון מארח-אורח

  1. בשני בקבוקונים קטנים (נפח בין 4-6 מ"ל, מנוקה עם איזופרופנול ומיובש עם חנקן), שוקלים מטריצת מארח המורכבת מ-12 מ"ג של PVK ו-8 מ"ג של OXD-7. התחל עם שקילת OXD-7. פיצוי על כל סטייה במשקל באמצעות PVK כדי להשיג יחס סופי של 6:4 (PVK:OXD-7). בבקבוקון השני, לשקול 10 מ"ג של 2PXZ-OXD TADF פולט.
  2. הוסף 2 מ"ל של כלורובנזן לבקבוקון עם מטריצת מארח, ו -1 מ"ל לבקבוקון עם חומר TADF. אם המשקלים של בקבוקונים כלשהם אינם בדיוק הערכים שתוארו לעיל, התאימו את נפח הכלורובנזן בשני הבקבוקונים כדי להשיג תמיסה בריכוז סופי של 10 מ"ג/מ"ל.
  3. השאירו את התמיסות תוך ערבוב עם מוטות ערבוב מגנטיים קטנים ונקיים למשך 3 שעות לפחות כדי להבטיח פירוק מלא של החומרים. ודא שהבקבוקונים מכוסים בבטחה בכובעים המתאימים ואטומים היטב עם סרט אורגני כימי בטוח כדי למנוע אידוי של ממסים.

2. ניקוי מצעים

הערה: כדי לטפל במצעים, השתמש בזוג פינצטות, נגיעה רק בפינה (לעולם אל תיגע באמצע המצעים). למצעים המשמשים כאן יש שישה פיקסלי ITO בתבנית מוקדמת (איור 1A).

  1. השג מצעי ITO מעוצבים מראש. נקו מצעים באמבט על-קולי המכיל תמיסת 1% v/v Hellmanex במים, אצטון ו-2-פרופנול (IPA), ברצף, למשך 15 דקות בכל אמבטיה. יש לבצע את האמבטיה הראשונה בטמפרטורה של כ-95 מעלות צלזיוס ואת הנותרים בטמפרטורת החדר (RT). לבסוף, ייבשו את המצעים באמצעות שטף חנקן כדי להסיר שאריות ממס ניקוי.
  2. לפני הייצור, יש לחשוף את המצעים (סרט ITO הפונה כלפי מעלה) לטיפול באוזון UV למשך 5 דקות. חלצו בזהירות את הגזים וודאו שהפנים בדוגמת ITO חשופות לקרינת העל-סגול. כאן, השתמש מנקה אוזון (100 W, 40 kHz). הגדר את אורך גל הפליטה של מנורות ה- UV ל- 185 ננומטר ו- 254 ננומטר עם מנורת פריקה של אדי כספית בעוצמה גבוהה, לחץ נמוך.

3. ציפוי ספין

זהו השלב החשוב ביותר של פרוטוקול זה. כדי להבטיח אחידות, הומוגניות והיעדר חורים בשכבות הדקות, יש לסנן את כל הממסים באמצעות ניירות הסינון המתאימים להם. יש להבטיח הסרה מלאה של ממסים עודפים מהמצעים כדי למנוע כל קצר במכשיר הסופי. עבור המצעים המשמשים כאן, הסרת חומרים עודפים מן ITO דפוס קתודה חשוב גם כדי לתקן את הפיקסל הסופי, וזה צריך להתבצע בדיוק גבוה, מבלי להפריע את האזור הפעיל של הפיקסל. יש לבצע את השלבים המתוארים להלן לציפוי ספין של הסרטים הדקים. העובי הסופי של הסרט הדק ישתנה אם משתמשים במעיל ספין שונה מזה המשמש כאן.

  1. הכינו את ציוד מעיל הספין.
    הערה: לפני השימוש במעיל הספין, יש צורך לבצע כיול עקומה עם פרמטרי התצהיר והעובי הסופי המתקבל עבור הסרטים. זה צריך להיעשות עבור כל פתרון מועסק. ההליך כרוך בביצוע מספר תצהירים עבור אותו פתרון אך עם פרמטרים שונים, והעובי הסופי נמדד באמצעות פרופילומטר. איור 2 מציג עקומת כיול אופיינית לשכבה פעילה.
  2. הפקדת PEDOT:PSS כשכבה הראשונה על גבי ITO. סנן את PEDOT:PSS באמצעות מסנן פלואוריד פוליווינילידן (PVDF) בגודל 0.45 מיקרומטר. מלאו מיקרופייפט ב-100 מיקרוליטר של PEDOT:PSS.
  3. הניחו בזהירות את המצע על צ'אק המסתובב והפעילו את מערכת הוואקום כדי לתקן את המצע (איור 1B,C). סובבו את ה-ITO עם הפנים כלפי מעלה והתאימו אותו למרכז אזור המצע ככל האפשר. הגדר את הפרמטרים עבור ציפוי הסחיטה ל-5,000 סל"ד למשך 30 שניות. הגדר צעד ראשוני באמצעות מעיל הסיבוב של ~2-3 שניות בסיבוב נמוך (200-500 סל"ד). עובי של 30 ננומטר צפוי.
  4. אם נשמור את המיקרופייפט בניצב למצע (איור 1D), שחרר את התמיסה (100 μL) במרכז המצע (איור 1D) והתחל את מעיל הסיבוב (איור 1E).
    הערה: אל תפיל את התמיסה מהר מדי או לאט מדי כדי למנוע את הסיכון להתפשטות לא הומוגנית של התמיסה (בהתאם לצמיגות, זווית המגע יכולה להיות לא אידיאלית). בדרך כלל, הפלת הפתרון ב~1 שניות היא אידיאלית. אין לגעת במצע עם המיקרופיפטה, ולנסות לסנכרן בין הפעלת מעיל הסיבוב לבין הפלת התמיסה. אם הגדרת תצהיר דו-שלבי (כפי שמוסבר בשלב 3.3) אינה זמינה, שקול תצהיר סטטי: שחרר תחילה את התמיסה ולאחר מכן הפעל את מעיל הסיבוב מיד לאחר מכן. הפלת הפתרון צריכה להיעשות בזהירות. יש להשמיט את כל הפתרונות במרכז ציר הסיבוב וליצור נקודה אחידה כדי למנוע אי-אחידות במהלך התהליך. שימו לב שלמרות שכללים אלה אידיאליים לתצהיר סרט טוב, טכניקת ציפוי הספין קשה לאופטימיזציה (כלומר, דורשת מספר שלבי קדם-אופטימיזציה). יתר על כן, זה תלוי בצמיגות התמיסה, בתצהיר האזור הרצוי, באופן שבו התמיסה נשמטת על המצע ובתחילת הסיבוב. דוגמה להיווצרות סרט טוב בקנה מידה מיקרוסקופי ניתן לראות באיור 3 כתמונת AFM.
  5. השלם את שלב מעיל הסיבוב (איור 1F). מכבים את הוואקום, ובעזרת פינצטה, מסירים את המצע. בעזרת ניצן כותנה קטן ספוג במים (כלומר, ממס PEDOT:PSS; איור 1G), הסר את השכבה העודפת שהושקעה סביב אזורי הקתודה והפינה מהמצע, תוך שמירה על האזור המפוקסל המרכזי ללא מגע.
  6. שומרים את המצע בתנור או על פלטה חמה בטמפרטורה של 120 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות כדי להסיר את ממס PEDOT:PSS (מים). מוציאים מהתנור או מהפלטה החמה, עוברים לתא כפפות ומשאירים להתקרר ל-RT (איור 1H).
  7. הכן את הפתרון עבור EML. בבקבוקון נקי חדש (ראה שלב 1.1), באמצעות מיקרופיפט, הכן תמיסה חדשה המורכבת מ-1.8 מ"ל של תמיסה מארחת ו-0.2 מ"ל של תמיסת TADF. לפני השימוש בפתרון, סנן אותו עם מסנן PTFE של 0.1 מיקרומטר.
  8. השאירו את התמיסה החדשה ערבוב במשך 15 דקות ב-RT.
  9. לאחר שלבים 3.3-3.5, בצע את התצהיר של תמיסה שנייה זו במעיל ספין בתא הכפפות. סובב ב-2,000 סל"ד במשך 60 שניות. עובי הסרט הצפוי צריך להיות 50 ננומטר. כדי להסיר כל עודף של הסרט השני, להשתמש ניצני כותנה ספוג chlorobenzene.
  10. השאירו את המצעים על פלטה חמה בתוך תא הכפפות בטמפרטורה של 70 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות כדי להסיר לחלוטין את עודפי הכלורובנזן.
  11. מוציאים את המצעים מהצלחת החמה ומניחים להתקרר ל-RT.
  12. לאמצעי זהירות נוספים, שקול כמה בדיקות טמפרטורה / זמן (בעקיפין, קצב אידוי) עבור ממסים שונים. המורפולוגיה של הסרט הסופי תלויה מאוד בפרמטרים אלה. בדיקת AFM פשוטה יכולה להיות שימושית כדי לאשר שקצב אידוי הממס מספיק. המבנה הסופי של הסרטים הדקים שהופקדו צריך להיות דומה פחות או יותר לסכימה באיור 1I.

4. אידוי חומרים

הערה: לאידוי טוב יותר, הוואקום המינימלי הנדרש הוא בדרך כלל לחץ נמוך מ- 5 x 10-5 mbar. עבור כל החומרים האורגניים, קצב האידוי צריך להישמר מתחת ל-2 Å/s כדי להפחית את החספוס והאחידות של השכבות. עבור LiF, קצב האידוי צריך להיות פחות מ-0.2 Å/s. אי הקפדה על כך עלולה לגרום לפליטות לא אחידות. אם עדיין לא נעשה, תכנן את מערכת החיישנים הפיאזואלקטריים (המודדת את עובי התצהיר ואת קצב האידוי) עם הפרמטרים הנדרשים, כגון 1) צפיפות החומר, 2) גורם Z: צימוד אקוסטי של חומר לחיישן, ו-3) גורם כלים: כיול גיאומטרי של כור ההיתוך האידוי לעומת מחזיק הדגימה. לפני השימוש במאייד, עיין במפרטי הציוד כיצד לבצע כיולים כאלה, ועיין בגליון הנתונים של החומרים עבור ערכי הצפיפות וגורמי Z עבור חומר מסוים. לאחר התכנות, וללא כל שינוי בגיאומטריה של תא האידוי (גורם כלים), ניתן לאחסן את הנתונים לשימוש עתידי עם אותם חומרים.

  1. הכנס את המצעים (סרטים עם הפנים כלפי מטה ולאחר השלמת שלב 3.11) לתוך מחזיק הדגימה עם מסכת האידוי הרצויה (איור 4A).
  2. כלול את כור ההיתוך הדרוש (הגיאומטריה תלויה במערכת המאיידים הספציפית) ומלא כל אחד מהם בחומרים הדרושים (LiF, TmPyPb ו- Al). הסבר מפורט על תהליך האידוי התרמי בפיתוח OLEDs ניתן למצוא בספרות43 והוא נדון בהרחבה בדו"ח זה.
  3. מקמו את מחזיק המצע עם דגימות במחזיק דגימת המאייד (איור 4B). סגרו את התא ושאבו את תא המאייד. בצע את ההוראות המתאימות עבור מערכת המאייד.
  4. לאדות סרט של TmPyPb בעובי של 40 ננומטר. יש להתאדות 2 ננומטר של LiF ו-100 ננומטר של Al, ברצף. עבור אידוי, בצע את הנוהל שפורסם43.
    הערה: המבנה הסופי מיוצג באיור 4C. בעבודה הנוכחית, התקנים אינם עטופים. עבור ניסויים ארוכי טווח, יש לבצע אנקפסולציה, וזה לא המוקד כאן.

5. אפיון המכשיר

הערה: כדי לאפיין את המכשיר הסופי, השתמש במד מתח, מד זוהר וספקטרומטר רגישים במיוחד. אם יש כדור משולב, השתמש בו. אחרת, מקם את מד הזוהר בניצב לפליטת פני השטח של OLED במרחק שצוין על ידי היצרן ותלוי בעדשת המיקוד. אם לא משתמשים בכדור משולב, ניתן להניח כי פליטת התקן OLED עוקבת אחר פרופיל למברטיאן לחישוב היעילות. כאן, הבהירות המתוארת אינה תואמת את הנמדדת תחת כדור משולב (ולכן, זה יהיה לפחות π פעמים פחות).

  1. הכנס את התקן ה- OLED המפוברק למחזיק הבדיקה וצור את המגעים החשמליים עבור הפיקסל הרצוי. מדוד את הזרם (I), המתח המופעל (V) והבהירות (L). פרטים מלאים על מערך הניסוי הוסברו בעבר43.
  2. בעזרת ספקטרומטר, מדוד את ספקטרום האלקטרולומינסנציה (EL) במתחים שונים המופעלים בטווח המתאים לטווח הדינמי של פעולת OLED44. קח לפחות שלושה עד ארבעה ספקטרה. כאן, מתחים מופעלים של 5 V, 10 V, ו 15 V משמשים.
  3. באמצעות התוכנה הדרושה, חשב את צפיפות הזרם (J), יעילות הזרם (μc candela / אמפר), יעילות הספק (ηp, לומן / וואט) ויעילות חיצונית (EQE). בעזרת ספקטרום האלקטרולומינסנציה, קבעו את קואורדינטות הצבע של CIE. מידע מתאים על איך לחשב את כל הנתונים האלה של הכשרון תוארו בעבר44.
  4. התווה את הנתונים שצוינו. בצע ניתוח ביקורתי של התוצאות במונחים של יעילות ובהירות. ראה את ספקטרום האלקטרולומינסנציה ונסה ליצור מודל כדי להבין את התוצאות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 5 מציג את התוצאות העיקריות עבור המכשיר המפוברק. מתח ההפעלה היה נמוך ביותר (~ 3 V), וזו תוצאה מעניינת עבור מכשיר שתי שכבות אורגניות. הבהירות המרבית הייתה כ-8,000 cd/m2 ללא שימוש בכדור משולב. הערכים המרביים עבור ηc, ηp ו- EQE היו בסביבות 16 cd/A, 10 lm/W ו- 8%, בהתאמה. למרות שהתוצאות אינן הנתונים הטובים ביותר של היתרונות עבור פולט TADF זה, הם היו הטובים ביותר שנמצאו במבנה מכשיר כה פשוט באמצעות פולט זה באמצעות שיטת תהליך הפתרון.

EQE מקסימלי של 14.9% דווח ב-OLED בעל חמש שכבות שהתאדה תרמית עבור אותו פולט42. חשוב לציין כי ה-EQE הראה התנהגות גלגול נמוכה יחסית (קרוב ל-7.5% עבור L = 100 cd/m 2 ו~6% עבור L = 1000 cd/m2), וערכי גלגול כאלה הם הטובים ביותר שהושגו עבור פולט TADFספציפי זה 42. משמעות הדבר היא כי הרעיון המשמש לוויסות התכונות החשמליות של EML באמצעות תצהיר תמיסה נראה תקף למעשה. השפלה מסוימת נצפתה עבור מתחים המופעלים גבוה מ -15 V, אשר מתאים לשבירה ידועה של קשרים כימיים עקב צפיפות נושאת חשמל גבוהה.

ההסבר לתוצאות אלה מעניין. בעקבות המושגים והניתוח המתוארים במבוא, הושג מכשיר מאוזן ויעיל מבחינה חשמלית, למרות המבנה הפשוט. עם הרכב EML, אפנון של הניידות החשמלית חושב כדי לקבל פרופיל המוביל הולם את רקומבינציית exciton הטוב ביותר האפשרי. שני התקנים פשוטים מסוג n או p בלבד הוכנו לאחר נוהלשפורסם 45, והניידות עבור השכבה הפעילה הייתה μn = 6.27 x 10-8 ס"מ 2 V-1 s-1 ו- μp = 4.76 x 10-7 ס"מ 2 V-1 s-1.

עם תצהיר פתרון, ניתן להשיג התקן פשוט מאוזן חשמלית, שכן ניתן לווסת את התכונות החשמליות של ה- EML מהתאמות נכונות וכוונון של פרמטרי התצהיר. בהתאם לפולטים שייבדקו, ניתן להתאים תפיסה זו בקלות לפיתוח נוסף של OLEDs המעובדים בפתרונות.

Figure 1
איור 1: סכמת פרוטוקול. המצעים המעוצבים המשמשים עם רצועות ה- ITO. בכל מצע יוצרו שישה OLEDs עם אזורים בודדים של 4 מ"מ2 . מוצגת סכמה פשוטה של תהליך התצהיר בטכניקת מעיל הספין. האזור העיקרי של הסרט שהופקד מראה את האזורים שיש לנקות כדי לאפשר למגעים החשמליים להיות ממוקמים במדויק כאשר הם מתאדים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: עקומת כיול טיפוסית של מעיל ספין. במקרה זה, ועל השכבה הפעילה, זמן קבוע של 60 s משמש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: תמונת AFM של סרט PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% wt) בעובי 50 ננומטר מתמיסת כלורובנזן. הסרט הופקד באמצעות ציפוי ספין כמתואר בפרוטוקול. ערך RMS הוא רק 0.309 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: סכמת אידוי. (A) מסכת אידוי המותאמת על גבי היריעות שהופקדו. בדרך כלל, הם מתוכננים מראש עבור תמיכות ספציפיות. (B) סכמטי של תא האידוי עם כור היתוך שונה. הסוג, המספר והמיקום תלויים בציוד הספציפי. החיישנים למדידות עובי ממוקמים ליד כור ההיתוך. למעלה, מחזיק המדגם מאכלס את מחזיק המצע עם מסכות. (C) תוכניות סופיות (וצילום טיפוסי) של ה-OLED המיוצר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: דמויות עיקריות של הכשרון של ה-OLEDs הירוקים המיוצרים. (A) צפיפות הזרם הרגילה (J), המתח המופעל (V) והבהירות (L). (B) יעילות זרם והספק כפונקציה של צפיפות הזרם. (C) ה-EQE כפונקציה של בהירות להערכת הגלגול. (D) ספקטרום האלקטרולומינסנציה ב-10 וולט (כולל התמונה של ה-OLEDs). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול המשמש כאן לייצור OLED יעיל במבנה מכשיר פשוט הוא פשוט יחסית. הניידות החשמלית לא רק מווסתת על ידי הרכב החומר של שכבת המכשיר, אלא גם תלויה באופן קריטי במורפולוגיה של הסרט. הכנת הפתרונות ובחירה נכונה של ממס וריכוז חשובים. לא יכולה להתרחש צבירה של חומרים, מה שמרמז על מסיסות מוחלטת בקנה מידה ננומטרי. חשוב גם לבחון את צמיגות הפתרון. צמיגות גבוהה מובילה לזווית מגע גבוהה של הפתרון על המצע, וגם ההפך אפשרי. בשני המקרים, סרט לא הומוגני יכול להיווצר על ידי ציפוי ספין. בנוסף, יש להימנע מהתחלת סיבוב מעיל הסיבוב לפני הפלת התמיסה. לבסוף, מערכת אוטומטית להפלת הפתרון במעיל הספין היא אופציה, וזה יתרון לתצהיר סרט דק טוב. אחרת, יש צורך להבטיח כי micropipette נשאר ניצב ככל האפשר (קשור עם מצע) בעת הטלת הפתרון. יתר על כן, יש להסיר אותו מיד כאשר כל התמיסה נשמטת כדי למנוע טיפות קטנות במיוחד כאשר מעיל הספין מתחיל.

כפי שצוין בהקדמה, לא כל החומרים ניתן להפקיד בקלות באמצעות תהליך הפתרון. למרבה המזל, ניתן לייצר את רוב המכשירים באמצעות הפרוטוקול המתואר כאן. ניתן להשיג שיפור נוסף בנתוני הכשרון, התלוי מאוד בהיווצרות סרט טוב (אפילו בסולם הערימה המולקולרית). התכונות החשמליות הכוללות תלויות בכך. מלבד הפשטות של השיטה, שכפול מוחלט של המכשיר באמצעות שיטות ציפוי ספין הוא כמעט 50% בשל טעות אנוש. כמו כן, לא ניתן להשתמש בו עבור מצעים גדולים שטח.

לבסוף, ניתן לראות את כל השלבים המתוארים בפרוטוקול כמסגרת המשותפת לייצור OLEDs יציבים, יעילים ופשוטים. בהתחשב במגמה של אלקטרוניקה מודפסת, עבודה זו היא בעלת חשיבות רבה עבור יישומים עתידיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות לפרויקט "EXCILIGHT" מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם המענקים של מארי סקלודובסקה-קירי מס' 674990. עבודה זו פותחה גם במסגרת הפרויקט i3N, UIDB/50025/2020 ו- UIDP/50025/2020, הממומן על ידי קרנות לאומיות באמצעות 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

הנדסה גיליון 189 OLED התקנים שהופקדו בפתרון דמויות של רול-אוף הצטיינות הנדסת אלקטרוניקה אורגנית פלואורסצנציה מושהית המופעלת תרמית מבנה התקן מורכב נמוך תהליך ייצור OLED פשוט
פיתוח של OLEDs יעילים מתצהיר פתרונות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumar, M., Pereira, L. Development… More

Kumar, M., Pereira, L. Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition. J. Vis. Exp. (189), e61071, doi:10.3791/61071 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter