Waiting
Login processing...

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

Engineering

تطوير OLEDs فعالة من ترسب الحل

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

يظهر هنا بروتوكول لتصنيع الثنائيات العضوية الباعثة للضوء الفعالة والبسيطة والمودعة بمحلول مع انخفاض معدل التدحرج.

Abstract

إن استخدام بواعث عضوية عالية الكفاءة استنادا إلى مفهوم التألق المتأخر المنشط حراريا (TADF) أمر مثير للاهتمام بسبب كفاءتها الكمومية الداخلية بنسبة 100٪. تظهر هنا طريقة ترسيب الحل لتصنيع الثنائيات العضوية الفعالة الباعثة للضوء (OLEDs) استنادا إلى باعث TADF في بنية جهاز بسيطة. يمكن استخدام هذه العملية السريعة والمنخفضة التكلفة والفعالة لجميع طبقات OLED الانبعاثية التي تتبع مفهوم المضيف والضيف. يتم وصف الخطوات الأساسية جنبا إلى جنب مع المعلومات اللازمة لمزيد من الاستنساخ. الهدف هو وضع بروتوكول عام يمكن تكييفه بسهولة مع الانبعاثات العضوية الرئيسية قيد الدراسة والتطوير حاليا.

Introduction

أصبحت الزيادة في الإلكترونيات العضوية المستخدمة في الحياة اليومية حقيقة غير مسبوقة. من بين العديد من التطبيقات الإلكترونية العضوية ، ربما تكون OLEDs هي الأكثر جاذبية. جعلت جودة الصورة والدقة ونقاء الألوان من OLEDs خيارا أساسيا للشاشات. علاوة على ذلك ، فإن إمكانية تحقيق انبعاثات كبيرة المساحة في OLED رقيقة للغاية ومرنة وخفيفة الوزن وسهلة ضبط الألوان لها تطبيقات في الإضاءة. ومع ذلك ، فإن بعض القضايا التكنولوجية المرتبطة بعملية التصنيع في بواعث المناطق الكبيرة قد أجلت المزيد من التطبيق.

مع أول OLED يعمل بجهد منخفض1 ، تم تصميم نماذج جديدة لإضاءة الحالة الصلبة ، على الرغم من انخفاض الكفاءة الكمومية الخارجية (EQE). يتم الحصول على OLED EQE من خلال نسبة الفوتونات المنبعثة (الضوء) إلى الناقلات الكهربائية المحقونة (التيار الكهربائي). تقدير نظري بسيط للحد الأقصى المتوقع EQE يساوي ηx ηint 2. يمكن تقريب الكفاءة الداخلية (ηint) بواسطة ηint = γ x x Equation 1 ΦPL، حيث يتوافق γ مع عامل توازن الشحنة، ΦPL هو العائد الكمومي للتلألؤ الضوئي (PLQY)، Equation 1 وهو كفاءة توليد الإثارة الانبعاثية (زوج ثقب الإلكترون). أخيرا ، ηهي كفاءة الاقتران2. إذا لم يتم النظر في الاقتران الخارجي ، يتركز الاهتمام على ثلاثة مواضيع: (1) مدى كفاءة المادة في إنشاء الإثارة التي تعيد تجميعها إشعاعيا ، (2) مدى كفاءة الطبقات الانبعاثية ، و (3) مدى كفاءة بنية الجهاز في تعزيز نظام كهربائي متوازن بشكل جيد3.

باعث عضوي فلورسنت بحت لديه 25٪ فقط من الكفاءة الكمومية الداخلية (IQE). وفقا لقواعد الدوران ، يحظر الانتقال الإشعاعي من الثلاثي إلى المفردة (T→S)4. لذلك ، فإن 75٪ من الناقلات الكهربائية المثارة لا تساهم في انبعاث الفوتونات5. تم التغلب على هذه المشكلة لأول مرة باستخدام الفلزات الانتقالية في OLEDs الفسفورية العضوية الباعثة 6,7,8,9,10 ، حيث قيل إن معدل الذكاء كان قريبا من 100٪ 11,12,13,14,15,16 . ويرجع ذلك إلى اقتران المدار المغزلي بين المركب العضوي والمعادن الانتقالية الثقيلة. العيب في مثل هذه الانبعاثات هو ارتفاع تكلفتها وضعف استقرارها. في الآونة الأخيرة ، أدت التقارير حول التوليف الكيميائي لمركب عضوي نقي مع فصل منخفض الطاقة بين الحالات الثلاثية والمفردة المثارة (∆EST) من قبل Adachi 17,18 إلى ظهور إطار جديد. على الرغم من أن19 ليست جديدة ، إلا أن التوظيف الناجح لعملية TADF في OLEDs جعل من الممكن الحصول على كفاءات عالية دون استخدام مجمعات المعادن الانتقالية.

في مثل هذه الانبعاثات العضوية الخالية من المعادن ، هناك احتمال كبير للناقلات المتحمسة في حالة ثلاثية للملء إلى الحالة المفردة ؛ لذلك ، يمكن ل IQE تحقيق حد نظري قدره 100٪ 5,20,21,22. توفر مواد TADF هذه إكسيتونات يمكن إعادة تجميعها إشعاعيا. ومع ذلك ، تتطلب هذه الانبعاثات تشتتا في مضيف مصفوفة لتجنب إخماد الانبعاثات3،20،21،23،24 في مفهوم المضيف والضيف. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد كفاءته على كيفية تخصيص المضيف (المصفوفة العضوية) لمادة الضيف (TADF)25. أيضا ، من الضروري إضفاء الطابع المثالي على بنية الجهاز (أي الطبقات الرقيقة والمواد والسمك) لتحقيق جهاز متوازن كهربائيا (التوازن بين الثقوب والإلكترونات لتجنب الخسارة)26. يعد تحقيق أفضل نظام بين المضيف والضيف لجهاز متوازن كهربائيا أمرا أساسيا لزيادة EQE. في الأنظمة القائمة على TADF ، هذا ليس بسيطا ، بسبب التغيرات في تحركات الناقل الكهربائي في EML التي لا يمكن ضبطها بسهولة.

مع بواعث TADF ، من السهل الحصول على قيم EQE التي تزيد عن 20٪ من26،27،28،29. ومع ذلك ، يتكون هيكل الجهاز عادة من ثلاث إلى خمس طبقات عضوية (نقل الثقب / الحجب وطبقات نقل / حجب الإلكترون ، HTL / HBL و ETL / EBL ، على التوالي). بالإضافة إلى ذلك ، يتم تصنيعه باستخدام عملية تبخر حراري عالية التكلفة ومعقدة من الناحية التكنولوجية وتقريبا فقط لتطبيقات العرض. اعتمادا على مستويات HOMO (أعلى مدار جزيئي مشغول) و LUMO (أدنى مداري جزيئي غير مشغول) ، والتنقل الكهربائي للناقلات ، والسمك ، يمكن لكل طبقة حقن ونقل ومنع الناقلات الكهربائية وضمان إعادة التركيب في الطبقة الانبعاثية (EML).

عادة ما يؤدي تقليل تعقيد الجهاز (على سبيل المثال ، بنية بسيطة من طبقتين) إلى انخفاض ملحوظ في EQE ، وأحيانا إلى أقل من 5٪. يحدث هذا بسبب اختلاف حركة الإلكترون والثقب في EML ، ويصبح الجهاز غير متوازن كهربائيا. وبالتالي ، بدلا من الكفاءة العالية لإنشاء الإثارة ، تصبح كفاءة الانبعاثات في EML منخفضة. علاوة على ذلك ، يحدث انقلاب ملحوظ مع انخفاض قوي في EQE مع زيادة السطوع ، بسبب التركيز العالي للإكسيتونات عند جهد مطبق عالي وعمر إثارة طويل24،30،31. يتطلب التغلب على مثل هذه المشكلات قدرة قوية على التعامل مع الخصائص الكهربائية للطبقة الانبعاثية. للحصول على بنية OLED بسيطة باستخدام طرق مودعة بالحلول ، يمكن ضبط الخصائص الكهربائية ل EML بواسطة معلمات إعداد الحل وترسيبه32.

تم استخدام طرق ترسيب الحل للأجهزة العضوية سابقا31. يعد تصنيع OLED ، مقارنة بعملية التبخر الحراري ، ذا أهمية كبيرة بسبب هيكلها المبسط وتكلفتها المنخفضة وإنتاجها على مساحة كبيرة. مع النجاح العالي في مجمعات المعادن الانتقالية OLEDs ، فإن الهدف الرئيسي هو زيادة مساحة الانبعاث ولكن الحفاظ على بنية الجهاز بسيطة قدر الإمكان33. تم تطبيق طرق مثل لفة إلى لفة (R2R) 34،35،36 ، والطباعة النافثة للحبر 37،38،39 وفتحة يموت40 بنجاح في تصنيع متعدد الطبقات من OLEDs ، وهو نهج صناعي ممكن.

على الرغم من طرق ترسيب الحلول للطبقات العضوية التي تعمل كخيار جيد لتبسيط بنية الجهاز ، لا يمكن إيداع جميع المواد المطلوبة بسهولة. يتم استخدام نوعين من المواد: جزيئات صغيرة وبوليمرات. في طرق ترسيب المحلول ، تحتوي الجزيئات الصغيرة على بعض العيوب ، مثل ضعف توحيد الأغشية الرقيقة والتبلور والاستقرار. وبالتالي ، يتم استخدام البوليمرات في الغالب بسبب القدرة على تشكيل أغشية رقيقة موحدة ذات خشونة سطح منخفضة وعلى ركائز كبيرة ومرنة. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون للمواد قابلية ذوبان جيدة في المذيبات المناسبة (بشكل رئيسي تلك العضوية مثل الكلوروفورم ، كلورو البنزين ، ثنائي كلورو البنزين ، إلخ) ، الماء ، أو مشتقات الكحول.

إلى جانب مشكلة الذوبان ، من الضروري ضمان أن المذيب المستخدم في طبقة واحدة يجب ألا يعمل كواحد للطبقة السابقة. هذا يسمح بهيكل متعدد الطبقات ترسب بواسطة العملية الرطبة ؛ ومع ذلك ، هناك قيود41. يستخدم هيكل الجهاز الأكثر شيوعا بعض الطبقات المودعة بمحلول (أي الطبقة الانبعاثية) وطبقة واحدة متبخرة حراريا (ETL). بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد تجانس الأغشية الرقيقة والمورفولوجيا بشدة على طرق الترسيب والمعلمات. يخضع نقل الشحنة الكهربائية عبر هذه الطبقات بالكامل لمثل هذه المورفولوجيا. ومع ذلك ، ينبغي إجراء مفاضلة بين الجهاز النهائي المطلوب وتوافقات عملية التصنيع بحكمة. يعد ضبط معلمات الترسيب مفتاحا للنجاح ، على الرغم من كونه عملا مستهلكا للوقت. على سبيل المثال ، طلاء الدوران ليس تقنية مباشرة. على الرغم من أن الأمر يبدو بسيطا ، إلا أن هناك العديد من جوانب تكوين الأغشية الرقيقة من محلول فوق ركيزة دوارة تتطلب الاهتمام.

إلى جانب تحسين سمك الفيلم ، والتلاعب بسرعة الدوران ، والوقت (السماكة هي اضمحلال أسي لكلا المعلمتين) ، يجب أيضا تعديل إجراءات المجرب للحصول على نتائج جيدة. تعتمد المعلمات الصحيحة أيضا على لزوجة المحلول ومنطقة الترسيب وزاوية البلل / التلامس للمحلول على الركيزة. لا توجد مجموعات فريدة من المعلمات. فقط الافتراضات الأساسية مع تعديلات محددة على الحل / الركيزة تسفر عن النتائج المرجوة. علاوة على ذلك ، يمكن تحسين الخصائص الكهربائية التي تعتمد على التشكيل الجزيئي للطبقة والتشكل للحصول على النتائج المرجوة ، باتباع البروتوكول الموضح هنا. بمجرد الانتهاء ، تكون العملية بسيطة ومجدية.

ومع ذلك ، فإن تقليل تعقيد بنية الجهاز يؤدي إلى الحد الأقصى لانخفاض EQE ؛ على الرغم من أنه يمكن تحقيق حل وسط من حيث الكفاءة مقابل السطوع. وبما أن هذا الحل الوسط يسمح بالتطبيقات العملية ، فإن فائض عملية بسيطة وكبيرة الحجم ومتوافقة ومنخفضة التكلفة يمكن أن يصبح حقيقة واقعة. توضح هذه المقالة هذه المتطلبات وكيفية تطوير وصفة للتعامل مع المشكلات المطلوبة.

يركز البروتوكول على باعث TADF الأخضر 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole]42 كضيف في مصفوفة مضيفة تتكون من PVK [poly(N-vinylcarbazole)] و OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]البنزين] ، والذي يتوافق مع EML. يتم استخدام طبقة نقل الإلكترون (ETL) من TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylphenyl)البنزين]. يتم تحسين كل من وظائف عمل الأنود والكاثود. يتكون الأنود من ITO (أكسيد القصدير الإنديوم) مع بوليمر عالي التوصيل PEDOT: PSS [poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-poly (styrenesulfonate)] ، ويتكون الكاثود من طبقة مزدوجة من الألومنيوم و LiF (فلوريد الليثيوم).

أخيرا ، يتم ترسيب كل من PEDOT: PSS و EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) عن طريق طلاء الدوران ، في حين يتم تبخر TmPyPb و LiF و Al حراريا. بالنظر إلى الطبيعة الشبيهة بالمعادن الموصلة ل PEDOT: PSS ، فإن الجهاز عبارة عن "طبقتين عضويتين" نموذجيتين في أبسط بنية ممكنة. في EML ، يتم تشتيت ضيف TADF (10٪ وزن) في المضيف (90٪ wt.) يتكون من PVK0.6 + OXD-70.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تحذير: تتضمن الخطوات التالية استخدام مذيبات ومواد عضوية مختلفة ، لذلك يجب توخي الحذر المناسب عند المناولة. استخدم غطاء الدخان ومعدات الحماية مثل نظارات المختبر وأقنعة الوجه والقفازات ومعاطف المختبر. يجب أن يتم وزن المواد بدقة باستخدام آلة قياس عالية الدقة. لضمان نظافة الركائز ، وترسب محلول الأغشية الرقيقة ، والتبخر ، يوصى بإجراء جميع الإجراءات في بيئة خاضعة للرقابة أو صندوق قفازات. قبل استخدام المعطف الدوار ، والماصات الدقيقة ، والمبخرات الحرارية ، والمواد العضوية ، والمذيبات ، يجب الرجوع إلى جميع أوراق بيانات السلامة.

1. إعداد حل المضيف والضيف

  1. في قارورتين صغيرتين (حجم يتراوح بين 4-6 مل ، يتم تنظيفهما باستخدام الأيزوبروبانول وتجفيفه بالنيتروجين) ، تزن مصفوفة المضيف المكونة من 12 ملغ من PVK و 8 ملغ من OXD-7. ابدأ بوزن OXD-7. تعويض أي انحراف في الوزن باستخدام PVK لتحقيق نسبة نهائية من 6: 4 (PVK: OXD-7). في القارورة الثانية ، تزن 10 ملغ من باعث 2PXZ-OXD TADF.
  2. أضف 2 مل من كلورو البنزين إلى القارورة مع مصفوفة المضيف ، و 1 مل إلى القارورة مع مادة TATF. إذا لم تكن أوزان أي قوارير هي بالضبط القيم الموضحة أعلاه ، فاضبط حجم الكلوروبنزين في كلتا القوارير لتحقيق حل بتركيز نهائي يبلغ 10 ملغ / مل.
  3. اترك المحاليل مع التحريك بقضبان تحريك مغناطيسية صغيرة ونظيفة لمدة 3 ساعات على الأقل لضمان الذوبان الكامل للمواد. تأكد من تغطية القوارير بأمان بأغطية خاصة بها وإغلاقها بإحكام بفيلم كيميائي عضوي آمن لتجنب أي تبخر للمذيبات.

2. تنظيف الركيزة

ملاحظة: للتعامل مع الركائز، استخدم زوجا من الملقط، مع لمس الزاوية فقط (لا تلمس أبدا منتصف الركائز). تحتوي الركائز المستخدمة هنا على ستة وحدات بكسل ITO منقوشة مسبقا (الشكل 1A).

  1. الحصول على ركائز ITO منقوشة مسبقا. تنظيف الركائز في حمام بالموجات فوق الصوتية يحتوي على 1٪ v / v محلول Hellmanex في الماء والأسيتون و 2-propanol (IPA) ، بالتتابع ، لمدة 15 دقيقة في كل حمام. قم بإجراء الحمام الأول عند حوالي 95 درجة مئوية والباقي في درجة حرارة الغرفة (RT). أخيرا ، قم بتجفيف الركائز باستخدام تدفق النيتروجين لإزالة أي بقايا مذيبات تنظيف.
  2. قبل التصنيع ، قم بتعريض الركائز (فيلم ITO المواجه لأعلى) لعلاج الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق. استخراج الغازات بعناية والتأكد من أن الوجه المنقوش ITO يتعرض للأشعة فوق البنفسجية. هنا ، استخدم منظف الأوزون (100 واط ، 40 كيلو هرتز). اضبط الطول الموجي للانبعاثات لمصابيح الأشعة فوق البنفسجية على 185 نانومتر و 254 نانومتر مع مصباح تفريغ بخار الزئبق عالي الكثافة والضغط المنخفض.

3. سبين الطلاء

هذه هي الخطوة الأكثر أهمية في هذا البروتوكول. لضمان التوحيد والتجانس وعدم وجود ثقوب في الأغشية الرقيقة ، يجب تصفية جميع المذيبات باستخدام أوراق الترشيح الخاصة بكل منها. يجب ضمان الإزالة الكاملة للمذيبات الزائدة من الركائز لتجنب أي نقص في الجهاز النهائي. بالنسبة للركائز المستخدمة هنا ، فإن إزالة المواد الزائدة من ITO والكاثود المزخرفين مهم أيضا لإصلاح البكسل النهائي ، ويجب تنفيذه بدقة عالية ، دون إزعاج المنطقة النشطة للبكسل. يجب اتباع الخطوات الموضحة أدناه لطلاء الدوران للأغشية الرقيقة. سيختلف السمك النهائي للغشاء الرقيق إذا كنت تستخدم معطفا يدور مختلفا عن السمك المستخدم هنا.

  1. إعداد معدات معطف سبين.
    ملاحظة: قبل استخدام معطف الدوران ، من الضروري إجراء معايرة منحنى مع معلمات الترسيب والسمك النهائي الذي تم الحصول عليه للأفلام. يجب أن يتم ذلك لكل حل مستخدم. يتضمن الإجراء إجراء عدة إفادات لنفس المحلول ولكن بمعلمات مختلفة ، ويتم قياس السماكة النهائية باستخدام مقياس التنميط. يوضح الشكل 2 منحنى معايرة نموذجي لطبقة نشطة.
  2. إيداع PEDOT: PSS كطبقة أولى فوق ITO. قم بتصفية PEDOT:PSS باستخدام فلتر فلوريد البولي فينيليدين (PVDF) بسعة 0.45 ميكرومتر. املأ ماصة صغيرة ب 100 ميكرولتر من PEDOT: PSS.
  3. ضع الركيزة بعناية على ظرف المعطف المغزلي وقم بتنشيط نظام التفريغ لإصلاح الركيزة (الشكل 1B ، C). قم بتدوير ITO وجها لوجه واضبطه لتوسيط منطقة الركيزة قدر الإمكان. اضبط معلمات طلاء الدوران على 5000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. قم بتعيين خطوة أولية باستخدام طبقة الدوران من ~ 2-3 ثانية عند دوران منخفض (200-500 دورة في الدقيقة). ومن المتوقع سمك 30 نانومتر.
  4. الحفاظ على الماصة الدقيقة عمودية على الركيزة (الشكل 1D) ، وإسقاط المحلول (100 ميكرولتر) في منتصف الركيزة (الشكل 1D) وبدء معطف الدوران (الشكل 1E).
    ملاحظة: لا تسقط المحلول بسرعة كبيرة أو ببطء لتجنب خطر الانتشار غير المتجانس للمحلول (اعتمادا على اللزوجة ، يمكن أن تكون زاوية التلامس غير مثالية). عادة ، إسقاط الحل في ~ 1 ثانية مثالي. لا تلمس الركيزة مع الماصة الدقيقة ، وحاول المزامنة بين بدء تشغيل معطف الدوران وإسقاط المحلول. إذا لم يكن إعداد الترسيب المكون من خطوتين (كما هو موضح في الخطوة 3.3) متاحا، ففكر في ترسيب ثابت: أسقط المحلول أولا، ثم ابدأ تشغيل طبقة الدوران بعد ذلك مباشرة. يجب أن يتم إسقاط الحل بعناية. يجب إسقاط جميع الحلول في مركز محور الدوران وتشكيل بقعة موحدة لتجنب عدم الانتظام أثناء العملية. يرجى العلم أنه على الرغم من أن هذه القواعد مثالية لترسيب الفيلم الجيد ، إلا أنه من الصعب تحسين تقنية الطلاء المغزلي (أي أنها تتطلب عدة خطوات ما قبل التحسين). علاوة على ذلك ، يعتمد ذلك على لزوجة المحلول ، وترسب المنطقة المطلوبة ، وكيفية إسقاط المحلول على الركيزة ، وبداية الغزل. يمكن رؤية مثال على تكوين فيلم جيد على نطاق مجهري في الشكل 3 كصورة AFM.
  5. أكمل خطوة المعطف الدوار (الشكل 1F). قم بإيقاف تشغيل الفراغ ، وباستخدام الملقط ، قم بإزالة الركيزة. بمساعدة برعم قطني صغير غارق في الماء (أي مذيب PEDOT: PSS ؛ الشكل 1G) ، قم بإزالة الفيلم الزائد المترسب حول الكاثود ومناطق الزاوية من الركيزة ، مع الحفاظ على المنطقة المركزية المنقطة دون مساس.
  6. احتفظ بالركيزة في فرن أو على صفيحة ساخنة عند 120 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة لإزالة مذيب PEDOT:PSS (الماء). أخرجه من الفرن أو الصفيحة الساخنة ، وانتقل إلى صندوق قفازات ، واتركه ليبرد إلى RT (الشكل 1H).
  7. إعداد الحل ل EML. في قارورة نظيفة جديدة (انظر الخطوة 1.1) ، باستخدام ماصة دقيقة ، قم بإعداد محلول جديد يتكون من 1.8 مل من محلول المضيف و 0.2 مل من محلول TADF. قبل استخدام الحل ، قم بتصفيته باستخدام مرشح PTFE 0.1 ميكرومتر.
  8. اترك الحل الجديد يحرك لمدة 15 دقيقة في RT.
  9. باتباع الخطوات 3.3-3.5 ، قم بإجراء ترسب هذا الحل الثاني في معطف دوار في صندوق القفازات. تدور بسرعة 2000 دورة في الدقيقة لمدة 60 ثانية. يجب أن يكون سمك الفيلم المتوقع 50 نانومتر. لإزالة أي فائض من الفيلم الثاني ، استخدم براعم القطن المنقوعة في الكلوروبنزين.
  10. اترك الركائز على صفيحة ساخنة داخل صندوق القفازات عند 70 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة لإزالة الكلوروبنزين الزائد تماما.
  11. قم بإزالة الركائز من الصفيحة الساخنة واتركها لتبرد إلى RT.
  12. للحصول على احتياطات إضافية ، ضع في اعتبارك بعض اختبارات درجة الحرارة / الوقت (بشكل غير مباشر ، معدل التبخر) للمذيبات المختلفة. يعتمد مورفولوجيا الفيلم النهائي بشدة على هذه المعلمات. يمكن أن يكون اختبار AFM البسيط مفيدا للتأكد من أن معدل تبخر المذيبات كاف. يجب أن يكون الهيكل النهائي للأغشية الرقيقة المودعة مشابها إلى حد ما للمخطط الوارد في الشكل 1I.

4. تبخر المواد

ملاحظة: لتحسين التبخر ، يكون الحد الأدنى للفراغ المطلوب عادة ضغطا أقل من 5 × 10-5 مللي بار. بالنسبة لجميع المواد العضوية ، يجب أن يبقى معدل التبخر أقل من 2 Å / s لتقليل خشونة وتوحيد الطبقات. بالنسبة ل LiF ، يجب أن يكون معدل التبخر أقل من 0.2 Å / s. قد يؤدي عدم الالتزام بذلك إلى انبعاثات غير منتظمة. إذا لم يتم ذلك بالفعل ، فقم ببرمجة نظام الاستشعار الكهرضغطي (الذي يقيس سمك الترسيب ومعدل التبخر) مع المعلمات المطلوبة ، مثل 1) كثافة المواد ، 2) عامل Z: اقتران صوتي للمواد بالمستشعر ، و 3) عامل الأدوات: المعايرة الهندسية لبوتقة التبخر مقابل حامل العينة. قبل استخدام المبخر ، ارجع إلى مواصفات المعدات حول كيفية إجراء هذه المعايرة ، واستشر ورقة بيانات المواد لمعرفة قيم الكثافة وعامل Z لمادة معينة. بمجرد برمجتها ، ودون أي تغيير في هندسة غرفة التبخر (عامل الأدوات) ، يمكن تخزين البيانات للاستخدام المستقبلي مع نفس المواد.

  1. أدخل الركائز (الأفلام متجهة لأسفل وبعد اكتمال الخطوة 3.11) في حامل العينة باستخدام قناع التبخر المطلوب (الشكل 4A).
  2. قم بتضمين البوتقات اللازمة (تعتمد الهندسة على نظام المبخر المحدد) واملأ كل منها بالمواد اللازمة (LiF و TmPyPb و Al). يمكن العثور على شرح مفصل لعملية التبخر الحراري في تطوير OLEDs في الأدبيات43 ويتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في هذا التقرير.
  3. ضع حامل الركيزة مع العينات في حامل عينة المبخر (الشكل 4B). أغلق الغرفة وضخ أسفل غرفة المبخر. اتبع التعليمات الخاصة بنظام المبخر.
  4. تبخر فيلم من TmPyPb بسماكة 40 نانومتر. تبخر 2 نانومتر من LiF و 100 نانومتر من Al، بالتتابع. للتبخر ، اتبع الإجراء المنشور43.
    ملاحظة: الهيكل النهائي ممثل في الشكل 4 جيم. في العمل الحالي ، لا يتم تغليف الأجهزة. بالنسبة للتجارب طويلة الأجل ، يجب إجراء التغليف ، وهو ليس التركيز هنا.

5. توصيف الجهاز

ملاحظة: لتوصيف الجهاز النهائي، استخدم مقياس الجهد عالي الحساسية ومقياس الإضاءة ومقياس الطيف. إذا كان هناك مجال تكامل ، فاستخدمه. خلاف ذلك ، ضع مقياس الإضاءة عموديا على انبعاث سطح OLED على مسافة تحددها الشركة المصنعة وتعتمد على عدسة التركيز. إذا لم يكن باستخدام مجال التكامل ، فيمكن افتراض أن انبعاث جهاز OLED يتبع ملف تعريف Lambertian لحساب الكفاءة. هنا ، لا يتوافق السطوع المخطط مع القياس تحت مجال التكامل (وبالتالي ، سيكون أقل π مرات على الأقل).

  1. أدخل جهاز OLED المصنع في حامل الاختبار وقم بإجراء جهات الاتصال الكهربائية للبكسل المطلوب. قم بقياس التيار (I) والجهد المطبق (V) والسطوع (L). تم شرح التفاصيل الكاملة حول الإعداد التجريبي سابقا43.
  2. باستخدام مقياس الطيف، قم بقياس أطياف التلألؤ الكهربائي (EL) عند الفولتية المطبقة المختلفة في نطاق يتوافق مع النطاق الديناميكي لعملية OLED44. خذ ما لا يقل عن ثلاثة إلى أربعة أطياف. هنا ، يتم استخدام الفولتية المطبقة من 5 فولت و 10 فولت و 15 فولت.
  3. باستخدام البرامج اللازمة ، احسب الكثافة الحالية (J) ، والكفاءة الحالية (μc candela / Ampere) ، وكفاءة الطاقة (ηp ، التجويف / واط) ، والكفاءة الخارجية (EQE). باستخدام أطياف التلألؤ الكهربائي، حدد إحداثيات لون CIE. وقد سبق وصف المعلومات المناسبة عن كيفية حساب جميع أرقام الجدارة هذهفي 44.
  4. ارسم البيانات المشار إليها. إجراء تحليل نقدي للنتائج من حيث الكفاءة والسطوع. انظر أطياف التلألؤ الكهربائي وحاول إنشاء نموذج لفهم النتائج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يوضح الشكل 5 النتائج الرئيسية للجهاز المصنع. كان الجهد التشغيلي منخفضا للغاية (~ 3 فولت) ، وهي نتيجة مثيرة للاهتمام لجهاز ثنائي الطبقة العضوية. كان الحد الأقصى للسطوع حوالي 8000 شمعة / م2 دون استخدام مجال متكامل. كانت القيم القصوى ل ηc و ηp و EQE حوالي 16 cd / A و 10 lm / W و 8٪ على التوالي. على الرغم من أن النتائج ليست أفضل أرقام المزايا لباعث TADF هذا ، إلا أنها كانت الأفضل في بنية الجهاز البسيطة هذه باستخدام هذا الباعث عبر طريقة عملية الحل.

تم الإبلاغ عن EQE كحد أقصى قدره 14.9٪ في OLED من خمس طبقات متبخرة حراريا لنفس الباعث42. الأهم من ذلك ، لوحظ أن EQE أظهر سلوكا منخفضا نسبيا في التدحرج (بالقرب من 7.5٪ ل L = 100 cd / m 2 و ~ 6٪ ل L = 1000 cd / m2) ، وقيم التدحرج هذه هي الأفضل لتحقيق باعث TADF42 المحدد. وهذا يعني أن المفهوم المستخدم لتعديل الخصائص الكهربائية ل EML باستخدام ترسب المحلول يبدو صالحا بشكل فعال. لوحظ بعض التدهور للفولتية المطبقة أعلى من 15 فولت ، وهو ما يتوافق مع الكسر المعروف للروابط الكيميائية بسبب ارتفاع كثافة الناقل الكهربائي.

تفسير هذه النتائج مثير للاهتمام. بعد المفاهيم والتحليلات الموضحة في المقدمة ، تم الحصول على جهاز متوازن وفعال كهربائيا ، على الرغم من الهيكل البسيط. مع التكوين في EML ، تم حساب تعديل التنقل الكهربائي للحصول على ملف تعريف الناقل الكافي لأفضل إعادة تركيب إكسيتون ممكنة. تم إعداد جهازين بسيطين من النوع n أو p فقط باتباع إجراء منشور45 ، وتم μ تحركات الطبقة النشطةn = 6.27 × 10-8 cm 2 V-1 s-1 و μp = 4.76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

مع ترسب الحل ، يمكن تحقيق جهاز بسيط متوازن كهربائيا ، حيث يمكن تعديل الخصائص الكهربائية ل EML من التعديلات الصحيحة وضبط معلمات الترسيب. اعتمادا على الانبعاثات التي سيتم اختبارها ، يمكن تكييف هذا المفهوم بسهولة لمزيد من التطوير ل OLEDs المعالجة بالحلول.

Figure 1
الشكل 1: مخطط البروتوكول. الركائز المنقوشة المستخدمة مع شرائط ITO. في كل ركيزة ، تم إنتاج ستة OLEDs بمساحات فردية تبلغ 4 مم2 . يتم عرض مخطط بسيط لعملية الترسيب التي توضح تقنية معطف الدوران. تظهر المنطقة الرئيسية للفيلم المودع المناطق المراد تنظيفها للسماح بوضع جهات الاتصال الكهربائية بدقة عند تبخرها. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: منحنى معايرة معطف الدوران النموذجي. في هذه الحالة ، وبالنسبة للطبقة النشطة ، يتم استخدام وقت ثابت قدره 60 ثانية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: صورة AFM ل PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10٪ وزن) فيلم رقيق 50 نانومتر من محلول الكلوروبنزين. تم إيداع الفيلم باستخدام طلاء الدوران كما هو موضح في البروتوكول. قيمة RMS هي 0.309 نانومتر فقط. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: مخطط التبخر. (أ) قناع التبخر الذي يتم تعديله فوق الأغشية المودعة. عادة ، يتم تصميمها مسبقا لدعم معين. (ب) مخطط غرفة التبخر ببوتقات مختلفة. يعتمد النوع والرقم والموقع على المعدات المحددة. يتم وضع أجهزة الاستشعار لقياس السماكة بالقرب من البوتقات. في الأعلى ، يستوعب حامل العينة حامل الركيزة بالأقنعة. (ج) المخططات النهائية (والتصوير النموذجي) ل OLED المنتج. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: الأرقام الرئيسية لجدارة OLEDs الخضراء المنتجة. (أ) كثافة التيار المعتادة (J) ، والجهد المطبق (V) ، والسطوع (L). (ب) كفاءة التيار والطاقة كدالة لكثافة التيار. (ج) EQE كدالة للسطوع لتقييم التدحرج. (د) أطياف التلألؤ الكهربائي عند 10 فولت (بما في ذلك صورة OLEDs). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

البروتوكول المستخدم هنا لتصنيع OLED فعال في بنية جهاز بسيطة بسيط بسيط نسبيا. لا يتم تعديل التنقل الكهربائي فقط من خلال التركيب المادي لطبقة الجهاز ولكن أيضا يعتمد بشكل حاسم على مورفولوجيا الفيلم. إعداد المحاليل والاختيار المناسب للمذيبات والتركيز مهمان. لا يمكن أن يحدث أي تجميع للمواد ، مما يعني الذوبان الكامل على مقياس نانومتري. من المهم أيضا مراقبة لزوجة المحلول. تؤدي اللزوجة العالية إلى زاوية تلامس عالية للمحلول على الركيزة ، والعكس ممكن أيضا. في كلتا الحالتين ، يمكن تشكيل فيلم غير متجانس عن طريق طلاء الدوران. بالإضافة إلى ذلك ، يجب تجنب بدء دوران معطف الدوران قبل إسقاط المحلول. أخيرا ، يعد النظام التلقائي لإسقاط المحلول في معطف الدوران خيارا ، وهو أمر مفيد لترسيب الأغشية الرقيقة الجيد. خلاف ذلك ، من الضروري ضمان بقاء الماصة الدقيقة عمودية قدر الإمكان (المتعلقة بالركيزة) عند إسقاط المحلول. علاوة على ذلك ، يجب إزالته على الفور عند إسقاط كل المحلول لتجنب قطرات صغيرة إضافية عند بدء تشغيل معطف الدوران.

كما هو مذكور في المقدمة ، لا يمكن إيداع جميع المواد بسهولة باستخدام عملية الحل. لحسن الحظ ، يمكن تصنيع معظم الأجهزة باستخدام البروتوكول الموضح هنا. يمكن تحقيق مزيد من التحسين في أرقام الجدارة ، والتي تعتمد بشدة على تكوين فيلم جيد (حتى على مقياس التراص الجزيئي). تعتمد الخصائص الكهربائية الإجمالية على هذا. إلى جانب بساطة الطريقة ، فإن الاستنساخ المطلق للجهاز باستخدام طرق الطلاء المغزلي هو ما يقرب من 50٪ بسبب خطأ بشري. أيضا ، لا يمكن استخدامه لركائز مساحة كبيرة.

أخيرا ، يمكن النظر إلى جميع الخطوات الموضحة في البروتوكول على أنها الإطار المشترك لإنتاج OLEDs مستقرة وفعالة وبسيطة. وبالنظر إلى الاتجاه نحو الإلكترونيات المطبوعة، فإن هذا العمل له أهمية كبيرة للتطبيقات المستقبلية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

يود المؤلفون أن ينوه بمشروع "EXCILIGHT" من برنامج البحث والابتكار Horizon 2020 التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية منحة Marie Sklodowska-Curie رقم 674990. تم تطوير هذا العمل أيضا في نطاق المشروع i3N و UIDB/50025/2020 و UIDP/50025/2020 ، بتمويل من الصناديق الوطنية من خلال 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

الهندسة، العدد 189، OLED، الأجهزة المودعة بالمحلول، أرقام الجدارة المتداولة، هندسة الإلكترونيات العضوية، التألق المتأخر المنشط حراريا، هيكل الجهاز منخفض التعقيد، عملية تصنيع OLED بسيطة
تطوير OLEDs فعالة من ترسب الحل
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