Waiting
Login processing...

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

Engineering

Desarrollo de OLEDs eficientes a partir de la deposición de soluciones

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

Aquí se presenta un protocolo para la fabricación de diodos orgánicos emisores de luz eficientes, simples y depositados en solución con bajo roll-off.

Abstract

El uso de emisores orgánicos altamente eficientes basados en el concepto de fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF) es interesante debido a su eficiencia cuántica interna del 100%. Aquí se presenta un método de deposición de soluciones para la fabricación de diodos orgánicos emisores de luz (OLED) eficientes basados en un emisor TADF en una estructura de dispositivo simple. Este proceso rápido, de bajo costo y eficiente se puede utilizar para todas las capas emisivas OLED que siguen el concepto host-guest. Los pasos fundamentales se describen junto con la información necesaria para una mayor reproducción. El objetivo es establecer un protocolo general que pueda adaptarse fácilmente a los principales emisores orgánicos actualmente en estudio y desarrollo.

Introduction

El aumento de la electrónica orgánica utilizada en la vida diaria se ha convertido en una realidad insuperable. Entre varias aplicaciones electrónicas orgánicas, los OLED son quizás los más atractivos. Su calidad de imagen, resolución y pureza de color han hecho de los OLED una opción principal para las pantallas. Además, la posibilidad de lograr una gran emisión de área en OLED extremadamente delgados, flexibles, livianos y fáciles de ajustar el color tiene aplicaciones en iluminación. Sin embargo, algunos problemas tecnológicos asociados con el proceso de fabricación en emisores de gran área han pospuesto su aplicación.

Con el primer OLED trabajando a bajos voltajes aplicados1, se han diseñado nuevos paradigmas para la iluminación de estado sólido, aunque con baja eficiencia cuántica externa (EQE). El EQE OLED se obtiene por la relación entre los fotones emitidos (luz) y los portadores eléctricos inyectados (corriente eléctrica). Una estimación teórica simple para el EQE máximo esperado es igual a ηsalida x ηint 2. La eficiencia interna (ηint) se puede aproximar por ηint = γ x x Equation 1 Φ PL, donde γ corresponde al factor de equilibrio de carga, ΦPL es el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY), y Equation 1 es la eficiencia de la generación de excitones emisivos (par de agujeros de electrones). Finalmente, ηes la eficiencia de desacoplamiento2. Si no se considera el desacoplamiento, la atención se centra en tres temas: (1) qué tan eficiente es el material para crear excitones que se recombinan radiativamente, (2) qué tan eficientes son las capas emisivas y (3) qué tan eficiente es la estructura del dispositivo para promover un sistema eléctrico bien equilibrado3.

Un emisor orgánico puramente fluorescente tiene solo un 25% de eficiencia cuántica interna (IQE). De acuerdo con las reglas de espín, la transición radiativa de un triplete a un singlete (T→S) está prohibida4. Por lo tanto, el 75% de los portadores eléctricos excitados no contribuyen a la emisión de fotones5. Este problema se superó por primera vez utilizando metales de transición en OLED de fosforescencia de emisores orgánicos 6,7,8,9,10, donde el IQE estaba cerca del 100%11,12,13,14,15,16 . Esto se debe al acoplamiento espín-órbita entre el compuesto orgánico y el metal de transición pesado. La desventaja en tales emisores es su alto costo y poca estabilidad. Recientemente, los informes sobre la síntesis química de un compuesto orgánico puro con separación de baja energía entre los estados triplete excitado y singlete (∆EST) por Adachi17,18 han dado lugar a un nuevo marco. Aunque no es nuevo19, el empleo exitoso del proceso TADF en OLED ha permitido obtener altas eficiencias sin utilizar complejos de metales de transición.

En tales emisores orgánicos libres de metal, existe una alta probabilidad de que los portadores excitados en un estado triplete se llenen al estado singlete; por lo tanto, el IQE puede alcanzar un límite teórico del 100%5,20,21,22. Estos materiales TADF proporcionan excitones que pueden recombinarse radiativamente. Sin embargo, estos emisores requieren dispersión en un host matriz para evitar la extinción de emisiones 3,20,21,23,24 en un concepto host-invitado. Además, su eficiencia depende de cómo el huésped (matriz orgánica) es apropiado para el huésped (TADF) material25. Además, es necesario idealizar la estructura del dispositivo (es decir, capas delgadas, materiales y espesor) para lograr un dispositivo eléctricamente equilibrado (equilibrio entre huecos y electrones para evitar pérdidas)26. Lograr el mejor sistema host-huésped para un dispositivo eléctricamente equilibrado es fundamental para aumentar la EQE. En los sistemas basados en TADF, esto no es simple, debido a los cambios en las movilidades de la portadora eléctrica en EML que no se ajustan fácilmente.

Con los emisores TADF, los valores de EQE superiores al 20% son fáciles de obtener26,27,28,29. Sin embargo, la estructura del dispositivo se compone típicamente de tres a cinco capas orgánicas (transporte de agujeros / bloqueo y transporte de electrones / capas de bloqueo, HTL / HBL y ETL / EBL, respectivamente). Además, se fabrica utilizando un proceso de evaporación térmica que es de alto costo, tecnológicamente complejo y casi solo para aplicaciones de visualización. Dependiendo de los niveles de HOMO (orbital molecular ocupado más alto) y LUMO (orbital molecular desocupado más bajo), movilidad eléctrica de los portadores y espesor, cada capa puede inyectar, transportar y bloquear portadores eléctricos y garantizar la recombinación en la capa emisiva (EML).

La reducción de la complejidad del dispositivo (por ejemplo, una estructura simple de dos capas) generalmente resulta en una disminución notable de EQE, a veces a menos del 5%. Esto sucede debido a la diferente movilidad de electrones y agujeros en el EML, y el dispositivo se desequilibra eléctricamente. Por lo tanto, en lugar de la alta eficiencia de la creación de excitones, la eficiencia de emisión en el EML se vuelve baja. Además, se produce un roll-off notable con una fuerte disminución del EQE a medida que aumenta el brillo, debido a la alta concentración de excitones a un alto voltaje aplicado y largas vidas excitadas 24,30,31. Superar estos problemas requiere una gran capacidad para manipular las propiedades eléctricas de la capa emisiva. Para una arquitectura OLED simple que utiliza métodos depositados en solución, las propiedades eléctricas del EML pueden ajustarse mediante los parámetros de preparación y deposición de la solución32.

Los métodos de deposición de soluciones para dispositivos de base orgánica se han utilizado previamente31. La fabricación OLED, en comparación con el proceso de evaporación térmica, es de gran interés debido a su estructura simplificada, bajo costo y producción de gran área. Con un alto éxito en los OLED de complejos de metales de transición, el objetivo principal es aumentar el área de emisión pero mantener la estructura del dispositivo lo más simple posible33. Métodos como rollo a rollo (R2R)34,35,36, impresión de inyección de tinta37,38,39 y slot-die40 se han aplicado con éxito en la fabricación multicapa de OLED, que es un posible enfoque industrial.

A pesar de que los métodos de deposición de soluciones para capas orgánicas sirven como una buena opción para la simplificación de la arquitectura del dispositivo, no todos los materiales deseados se pueden depositar fácilmente. Se utilizan dos tipos de materiales: moléculas pequeñas y polímeros. En los métodos de deposición de solución, las moléculas pequeñas tienen algunos inconvenientes, como la mala uniformidad de la película delgada, la cristalización y la estabilidad. Por lo tanto, los polímeros se utilizan principalmente debido a la capacidad de formar películas delgadas uniformes con baja rugosidad superficial y en sustratos grandes y flexibles. Además, los materiales deben tener buena solubilidad en el disolvente apropiado (principalmente orgánicos como cloroformo, clorobenceno, diclorobenceno, etc.), agua o derivados del alcohol.

Además del problema de la solubilidad, es necesario garantizar que un disolvente utilizado en una capa no actúe como uno para la capa anterior. Esto permite una estructura multicapa depositada por el proceso húmedo; Sin embargo, hay limitaciones41. La estructura más típica del dispositivo utiliza algunas capas depositadas en solución (es decir, la emisiva) y una capa evaporada térmicamente (ETL). Además, la homogeneidad y morfología de la película delgada dependen en gran medida de los métodos y parámetros de deposición. El transporte de carga eléctrica a través de estas capas está completamente gobernado por dicha morfología. Sin embargo, se debe establecer juiciosamente una compensación entre el dispositivo final deseado y las compatibilidades del proceso de fabricación. Ajustar los parámetros de deposición es clave para el éxito, a pesar de ser un trabajo que consume mucho tiempo. Por ejemplo, el recubrimiento por centrifugado no es una técnica sencilla. Aunque parezca simple, hay varios aspectos de la formación de película delgada a partir de una solución sobre un sustrato giratorio que requieren atención.

Además de la optimización del espesor de la película, la manipulación de la velocidad de giro y el tiempo (el espesor es una disminución exponencial de ambos parámetros), las acciones del experimentador también deben ajustarse para obtener buenos resultados. Los parámetros correctos también dependen de la viscosidad de la solución, el área de deposición y la humectabilidad/ángulo de contacto de la solución sobre el sustrato. No hay conjuntos únicos de parámetros. Solo los supuestos básicos con ajustes específicos a la solución/sustrato producen los resultados deseados. Además, las propiedades eléctricas que dependen de la conformación molecular y la morfología de la capa se pueden optimizar para obtener los resultados deseados, siguiendo el protocolo descrito aquí. Una vez completado, el proceso es simple y factible.

Sin embargo, la disminución de la complejidad de la estructura del dispositivo conduce a una disminución máxima de EQE; Aunque, se puede lograr un compromiso en términos de eficiencia vs. brillo. Como tal compromiso permite aplicaciones prácticas, el excedente de un proceso simple, compatible con áreas grandes y de bajo costo puede convertirse en una realidad. En este artículo se describen estos requisitos y cómo desarrollar una receta para controlar los problemas necesarios.

El protocolo se centra en un emisor verde TADF 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-fenoxazin-10-il)fenil)-1,3,4-oxadiazol]42 como invitado en una matriz huésped compuesta por PVK [poli(N-vinilcarbazol)] y OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-terc-butilfenil)-1,3,4-oxadiazo-5-il]benceno], que corresponde al LME. Se utiliza una capa de transporte de electrones (ETL) de TmPyPb [1,3,5-Tri(m-piridina-3-ilfenil)benceno]. Tanto las funciones de trabajo del ánodo como las del cátodo están optimizadas. El ánodo está compuesto de ITO (óxido de indio y estaño) con un polímero altamente conductor PEDOT: PSS [poli (3,4-etilendioxitiofeno) -poli (estirenosulfonato)], y el cátodo está compuesto por una doble capa de aluminio y LiF (fluoruro de litio).

Finalmente, tanto el PEDOT:PSS como el EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) se depositan mediante recubrimiento de centrifugado, mientras que TmPyPb, LiF y Al se evaporan térmicamente. Teniendo en cuenta la naturaleza metálica conductora de PEDOT: PSS, el dispositivo es una típica "capa de dos orgánicos" en la estructura más simple posible. En el EML, el invitado TADF (10% peso) se dispersa en el huésped (90% peso) compuesto por PVK0.6 + OXD-70.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

PRECAUCIÓN: Los siguientes pasos implican el uso de diferentes solventes y materiales orgánicos, por lo que se debe tener el cuidado adecuado al manipular. Use la campana extractora y el equipo de protección, como anteojos de laboratorio, máscaras faciales, guantes y batas de laboratorio. El pesaje de los materiales debe realizarse con precisión utilizando una báscula de alta precisión. Para garantizar la limpieza de los sustratos, la deposición de la solución de películas delgadas y la evaporación, se recomienda que todos los procedimientos se realicen en un ambiente controlado o guantera. Antes de utilizar un centrifugador, micropipetas, evaporadores térmicos, materiales orgánicos y disolventes, deben consultarse todas las fichas de datos de seguridad.

1. Preparación de la solución host-guest

  1. En dos viales pequeños (volumen entre 4-6 ml, limpiados con isopropanol y secados con nitrógeno), pesar la matriz del huésped compuesta de 12 mg de PVK y 8 mg de OXD-7. Comience con el pesaje del OXD-7. Compense cualquier desviación en el peso utilizando PVK para lograr una relación final de 6:4 (PVK:OXD-7). En el segundo vial, pesar 10 mg de emisor 2PXZ-OXD TADF.
  2. Añadir 2 ml de clorobenceno al vial con matriz huésped y 1 ml al vial con material TADF. Si los pesos de cualquier vial no son exactamente los valores descritos anteriormente, ajuste el volumen de clorobenceno en ambos viales para lograr una solución con una concentración final de 10 mg / ml.
  3. Deje las soluciones agitando con pequeñas barras magnéticas limpias durante al menos 3 h para garantizar la disolución completa de los materiales. Asegúrese de que los viales estén cubiertos de forma segura con las tapas respectivas y sellados herméticamente con una película orgánica segura para productos químicos para evitar la evaporación de los disolventes.

2. Limpieza del sustrato

NOTA: Para manipular los sustratos, use un par de pinzas, tocando solo en una esquina (nunca toque el centro de los sustratos). Los sustratos utilizados aquí tienen seis píxeles ITO prediseñados (Figura 1A).

  1. Obtenga sustratos ITO prediseñados. Limpie los sustratos en un baño ultrasónico que contenga una solución de Hellmanex al 1% v/v en agua, acetona y 2-propanol (IPA), secuencialmente, durante 15 minutos en cada baño. Realizar el primer baño a aproximadamente 95 °C y el restante a temperatura ambiente (RT). Finalmente, seque los sustratos utilizando flujo de nitrógeno para eliminar cualquier residuo de disolvente de limpieza.
  2. Antes de la fabricación, exponga los sustratos (película ITO hacia arriba) al tratamiento con ozono UV durante 5 minutos. Extraiga cuidadosamente los gases y asegúrese de que la cara con patrón ITO esté expuesta a los rayos UV. Aquí, use un limpiador de ozono (100 W, 40 kHz). Ajuste la longitud de onda de emisión de las lámparas UV a 185 nm y 254 nm con una lámpara de descarga de vapor de mercurio de alta intensidad y baja presión.

3. Recubrimiento por centrifugado

Este es el paso más importante de este protocolo. Para garantizar la uniformidad, homogeneidad y ausencia de agujeros en las películas delgadas, todos los disolventes deben filtrarse con sus respectivos papeles de filtro. Se debe garantizar la eliminación completa del exceso de disolventes de los sustratos para evitar cualquier cortocircuito en el dispositivo final. Para los sustratos utilizados aquí, la eliminación del exceso de materiales del ITO y el cátodo estampados también es importante para fijar el píxel final, y debe realizarse con alta precisión, sin alterar el área activa del píxel. Se deben seguir los pasos descritos a continuación para el recubrimiento por centrifugado de las películas delgadas. El grosor final de la película delgada variará si se utiliza un recubridor de centrifugado diferente al utilizado aquí.

  1. Prepare el equipo de centrifugado.
    NOTA: Antes de utilizar el recubridor de centrifugado, es necesario realizar una calibración de curva con los parámetros de deposición y espesor final obtenidos para las películas. Esto debe hacerse para cada solución empleada. El procedimiento consiste en realizar varias deposiciones para la misma solución pero con diferentes parámetros, y el espesor final se mide con un perfilómetro. La figura 2 muestra una curva de calibración típica para una capa activa.
  2. Deposite PEDOT:PSS como la primera capa encima de ITO. Filtre el PEDOT:PSS con un filtro de fluoruro de polivinilideno (PVDF) de 0,45 μm. Llenar una micropipeta con 100 μL de PEDOT:PSS.
  3. Coloque cuidadosamente el sustrato en el mandril de centrifugado y active el sistema de vacío para fijar el sustrato (Figura 1B, C). Gire el ITO boca arriba y ajuste para centrar el área del sustrato tanto como sea posible. Ajuste los parámetros para el recubrimiento de centrifugado a 5.000 rpm durante 30 s. Establezca un paso inicial utilizando el recubridor de centrifugado de ~2–3 s a baja rotación (200–500 rpm). Se espera un espesor de 30 nm.
  4. Manteniendo la micropipeta perpendicular al sustrato (Figura 1D), deje caer la solución (100 μL) en el centro del sustrato (Figura 1D) y comience el recubridor de centrifugado (Figura 1E).
    NOTA: No deje caer la solución demasiado rápido o lentamente para evitar el riesgo de propagación no homogénea de la solución (dependiendo de la viscosidad, el ángulo de contacto puede no ser ideal). Por lo general, dejar caer la solución en ~ 1 s es ideal. No toque el sustrato con la micropipeta e intente sincronizar entre el inicio de la recubridora de centrifugado y la caída de la solución. Si no se dispone de un ajuste de deposición en dos pasos (como se explica en el paso 3.3), considere una deposición estática: deje caer la solución primero y, a continuación, inicie la recubridora de centrifugado inmediatamente después. La caída de la solución debe hacerse con cuidado. Todas las soluciones deben dejarse caer en el centro del eje de rotación y formar un punto uniforme para evitar no uniformidades durante el proceso. Tenga en cuenta que, aunque estas reglas son ideales para una buena deposición de película, la técnica de recubrimiento por centrifugado es difícil de optimizar (es decir, requiere varios pasos de preoptimización). Además, depende de la viscosidad de la solución, el área deseada de deposición, cómo se deja caer la solución sobre el sustrato y el inicio del hilado. Un ejemplo de buena formación de película a escala microscópica se puede ver en la Figura 3 como una imagen AFM.
  5. Complete el paso de recubridor de centrifugado (Figura 1F). Apague la aspiradora y, con una pinza, retire el sustrato. Con la ayuda de un pequeño bastoncillo de algodón empapado en agua (es decir, el disolvente PEDOT:PSS; Figura 1G), retire el exceso de película depositada alrededor del cátodo y las áreas de esquina del sustrato, manteniendo intacta el área central pixelada.
  6. Mantener el sustrato en un horno o en una placa caliente a 120 °C durante 15 min para eliminar el disolvente PEDOT:PSS (agua). Retire del horno o placa caliente, muévala a una guantera y deje enfriar a RT (Figura 1H).
  7. Prepare la solución para el EML. En un vial limpio nuevo (ver paso 1.1), con una micropipeta, preparar una nueva solución compuesta por 1,8 ml de solución huésped y 0,2 ml de solución TADF. Antes de usar la solución, filtre con un filtro de PTFE de 0,1 μm.
  8. Deje la nueva solución agitando durante 15 minutos en RT.
  9. Siguiendo los pasos 3.3–3.5, haga la deposición de esta segunda solución en una recubridora de centrifugado en la guantera. Girar a 2.000 rpm durante 60 s. El grosor esperado de la película debe ser de 50 nm. Para eliminar cualquier exceso de la segunda película, use bastoncillos de algodón empapados en clorobenceno.
  10. Deje los sustratos en una placa caliente dentro de la guantera a 70 °C durante 30 minutos para eliminar completamente el exceso de clorobenceno.
  11. Retire los sustratos de la placa caliente y deje enfriar a RT.
  12. Para precauciones adicionales, considere algunas pruebas de temperatura / tiempo (indirectamente, tasa de evaporación) para diferentes solventes. La morfología de la película final depende en gran medida de estos parámetros. Una simple prueba de AFM puede ser útil para confirmar que la tasa de evaporación del disolvente es adecuada. La estructura final de las películas delgadas depositadas debe ser más o menos similar al esquema de la Figura 1I.

4. Evaporación de materiales

NOTA: Para una mejor evaporación, el vacío mínimo requerido suele ser una presión inferior a 5 x 10-5 mbar. Para todos los materiales orgánicos, la velocidad de evaporación debe mantenerse por debajo de 2 Å / s para reducir la rugosidad y uniformidad de las capas. Para LiF, la tasa de evaporación debe ser inferior a 0,2 Å/s. El incumplimiento de esto puede resultar en emisiones no uniformes. Si aún no lo ha hecho, programe el sistema de sensor piezoeléctrico (que mide el espesor de deposición y la velocidad de evaporación) con los parámetros requeridos, como 1) densidad del material, 2) factor Z: un acoplamiento acústico del material al sensor, y 3) factor de herramientas: calibración geométrica del crisol de evaporación frente al portamuestras. Antes de utilizar el evaporador, consulte las especificaciones del equipo sobre cómo realizar dichas calibraciones y consulte la hoja de datos de materiales para conocer los valores de densidad y factor Z para un material específico. Una vez programados, y sin ningún cambio de geometría de la cámara de evaporación (factor de herramientas), los datos se pueden almacenar para su uso futuro con los mismos materiales.

  1. Inserte los sustratos (películas boca abajo y después de completar el paso 3.11) en el portamuestras con la máscara de evaporación deseada (Figura 4A).
  2. Incluya los crisoles necesarios (la geometría depende del sistema evaporador específico) y llene cada uno con los materiales necesarios (LiF, TmPyPb y Al). Una explicación detallada del proceso de evaporación térmica en el desarrollo de OLED se puede encontrar en la literatura43 y se discute más adelante en este informe.
  3. Coloque el soporte del sustrato con muestras en el portamuestras del evaporador (Figura 4B). Cierre la cámara y bombee hacia abajo la cámara del evaporador. Siga las instrucciones respectivas para el sistema evaporador.
  4. Evaporar una película de TmPyPb con un espesor de 40 nm. Evaporar 2 nm de LiF y 100 nm de Al, secuencialmente. Para la evaporación, siga el procedimiento publicado43.
    NOTA: La estructura final se representa en la Figura 4C. En el trabajo actual, los dispositivos no están encapsulados. Para experimentos a largo plazo, se debe realizar la encapsulación, que no es el enfoque aquí.

5. Caracterización del dispositivo

NOTA: Para caracterizar el dispositivo final, utilice un medidor de voltaje altamente sensible, un medidor de luminancia y un espectrómetro. Si hay una esfera integradora, úsala. De lo contrario, coloque el medidor de luminancia perpendicularmente a la emisión de superficie OLED a una distancia indicada por el fabricante y dependiendo de la lente de enfoque. Si no se utiliza una esfera integradora, se puede suponer que la emisión del dispositivo OLED sigue un perfil lambertiano para el cálculo de la eficiencia. Aquí, el brillo trazado no corresponde al medido bajo una esfera integradora (por lo tanto, será al menos π veces menor).

  1. Inserte el dispositivo OLED fabricado en el soporte de prueba y haga los contactos eléctricos para el píxel deseado. Mida la corriente (I), el voltaje aplicado (V) y el brillo (L). Los detalles completos sobre la configuración experimental se han explicado anteriormente43.
  2. Con un espectrómetro, medir los espectros de electroluminiscencia (EL) a diferentes voltajes aplicados en un rango correspondiente al rango dinámico de la operación OLED44. Tome al menos tres o cuatro espectros. Aquí se utilizan voltajes aplicados de 5 V, 10 V y 15 V.
  3. Usando el software necesario, calcule la densidad de corriente (J), la eficiencia de corriente (μc candela / amperio), la eficiencia energética (ηp, lúmenes / vatios) y la eficiencia externa (EQE). Con los espectros de electroluminiscencia, determine las coordenadas de color CIE. La información adecuada sobre cómo calcular todas estas cifras de mérito ha sido descrita anteriormente44.
  4. Trazar los datos indicados. Realizar un análisis crítico de los resultados en términos de eficiencia y brillo. Vea los espectros de electroluminiscencia e intente establecer un modelo para comprender los resultados.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

La figura 5 muestra los principales resultados para el dispositivo fabricado. El voltaje de encendido fue extremadamente bajo (~ 3 V), lo cual es un resultado interesante para un dispositivo de dos capas orgánicas. El brillo máximo era de alrededor de 8.000 cd/m2 sin utilizar una esfera integradora. Los valores máximos para ηc, ηp y EQE fueron de alrededor de 16 cd/A, 10 lm/W y 8%, respectivamente. Aunque los resultados no son las mejores cifras de méritos para este emisor TADF, fueron los mejores encontrados en una estructura de dispositivo tan simple utilizando este emisor a través del método de proceso de solución.

Se reportó un EQE máximo de 14.9% en un OLED evaporado térmicamente de cinco capas para el mismo emisor42. Es importante destacar que se observó que el EQE mostró un comportamiento de roll-off relativamente bajo (cerca de 7,5% para L = 100 cd/m 2 y ~6% para L = 1000 cd/m2), y tales valores de roll-off son los mejores logrados para este emisor TADF específico42. Esto significa que el concepto empleado para modular las propiedades eléctricas de la LME utilizando la deposición de la solución parece ser efectivamente válido. Se observó cierta degradación para voltajes aplicados superiores a 15 V, lo que corresponde a la conocida ruptura de enlaces químicos debido a una alta densidad de portador eléctrico.

La explicación de estos resultados es interesante. Siguiendo los conceptos y análisis descritos en la introducción, se obtuvo un dispositivo eléctricamente equilibrado y eficiente, a pesar de la estructura simple. Con la composición en el LME, se calculó la modulación de la movilidad eléctrica para obtener un perfil portador adecuado a la mejor recombinación de excitones posible. Se prepararon dos dispositivos simples de tipo n o tipo p solamente siguiendo un procedimiento publicado45, y las movilidades para la capa activa fueron μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 y μp = 4,76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

Con la deposición de la solución, se puede lograr un dispositivo simple eléctricamente equilibrado, ya que las propiedades eléctricas del EML se pueden modular a partir de los ajustes correctos y el ajuste de los parámetros de deposición. Dependiendo de los emisores a probar, este concepto se puede adaptar fácilmente para un mayor desarrollo de OLED procesados en solución.

Figure 1
Figura 1: Esquema de protocolo. Los sustratos estampados utilizados con las tiras ITO. En cada sustrato, se produjeron seis OLED con áreas individuales de 4 mm2 . Se muestra un esquema simple del proceso de deposición utilizando la técnica del recubridor de centrifugado. El área principal de la película depositada muestra las regiones que deben limpiarse para permitir que los contactos eléctricos se coloquen con precisión cuando se evaporan. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Curva de calibración típica del recubridor de espín. En este caso, y para la capa activa, se utiliza un tiempo fijo de 60 s. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Imagen AFM de PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% peso) película delgada de 50 nm de solución de clorobenceno. La película se depositó utilizando un recubrimiento de centrifugado como se describe en el protocolo. El valor RMS es de sólo 0,309 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Esquema de evaporación. (A) Máscara de evaporación que se ajusta sobre las películas depositadas. Por lo general, están prediseñados para soportes específicos. (B) Esquema de la cámara de evaporación con diferentes crisoles. El tipo, el número y la ubicación dependen del equipo específico. Los sensores para mediciones de espesor se colocan cerca de los crisoles. En la parte superior, el portamuestras acomoda el soporte de sustrato con máscaras. (C) Esquemas finales (y fotografía típica) del OLED producido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Principales figuras de mérito de los OLED verdes producidos. (A) La densidad de corriente habitual (J), el voltaje aplicado (V) y el brillo (L). (B) Eficiencia de corriente y energía en función de la densidad de corriente. (C) El EQE en función del brillo para evaluar el roll-off. (D) Los espectros de electroluminiscencia a 10 V (incluida la imagen de los OLED). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

El protocolo utilizado aquí para fabricar un OLED eficiente en una estructura de dispositivo simple es relativamente simple. La movilidad eléctrica no solo está modulada por la composición del material de una capa de dispositivo, sino que también depende críticamente de la morfología de la película. La preparación de las soluciones y una elección adecuada del disolvente y la concentración son importantes. No puede ocurrir agregación de material, lo que implica una solubilidad completa a escala nanométrica. También es importante observar la viscosidad de la solución. Una alta viscosidad conduce a un alto ángulo de contacto de la solución en el sustrato, y también es posible lo contrario. En ambos casos, se puede formar una película no homogénea mediante recubrimiento por centrifugado. Además, se debe evitar iniciar la rotación del recubridor de centrifugado antes de dejar caer la solución. Finalmente, un sistema automático para dejar caer la solución en el recubridor de centrifugado es una opción, lo cual es ventajoso para una buena deposición de película delgada. De lo contrario, es necesario garantizar que la micropipeta permanezca lo más perpendicular posible (relacionada con el sustrato) al dejar caer la solución. Además, debe retirarse inmediatamente cuando se deja caer toda la solución para evitar caídas extra pequeñas cuando comience el recubridor de centrifugado.

Como se mencionó en la introducción, no todos los materiales se pueden depositar fácilmente utilizando el proceso de solución. Afortunadamente, la mayoría de los dispositivos se pueden fabricar utilizando el protocolo descrito aquí. Se puede lograr una mejora adicional de las figuras de mérito, lo que depende en gran medida de una buena formación de películas (incluso a escala de apilamiento molecular). Las propiedades eléctricas generales dependen de esto. Además de la simplicidad del método, la reproducibilidad absoluta del dispositivo utilizando métodos de recubrimiento por centrifugado es casi del 50% debido a errores humanos. Además, no se puede utilizar para sustratos de área grande.

Finalmente, todos los pasos descritos en el protocolo pueden verse como el marco común para producir OLED estables, eficientes y simples. Teniendo en cuenta la tendencia hacia la electrónica impresa, este trabajo es de gran importancia para futuras aplicaciones.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores desean reconocer el proyecto "EXCILIGHT" del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie No 674990. Este trabajo también se desarrolló en el ámbito del proyecto i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, financiado por fondos nacionales a través del 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

Ingeniería Número 189 OLED dispositivos depositados en solución figuras de roll-off de mérito ingeniería electrónica orgánica fluorescencia retardada activada térmicamente estructura de dispositivo de baja complejidad proceso de fabricación OLED simple
Desarrollo de OLEDs eficientes a partir de la deposición de soluciones
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