Waiting
Login processing...

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

Engineering

Çözüm Biriktirmeden Verimli OLED'lerin Geliştirilmesi

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

Burada sunulan, düşük yuvarlanma ile verimli, basit, çözelti biriktirilmiş organik ışık yayan diyotların üretimi için bir protokoldür.

Abstract

Termal olarak aktive edilmiş gecikmeli floresan (TADF) konseptine dayanan yüksek verimli organik yayıcıların kullanımı,% 100 dahili kuantum verimliliği nedeniyle ilginçtir. Burada, basit bir cihaz yapısında bir TADF yayıcıya dayanan verimli organik ışık yayan diyotların (OLED'ler) üretimi için bir çözüm biriktirme yöntemi sunulmaktadır. Bu hızlı, düşük maliyetli ve verimli işlem, ana bilgisayar-konuk kavramını izleyen tüm OLED yayıcı katmanları için kullanılabilir. Temel adımlar, daha fazla üreme için gerekli bilgilerle birlikte açıklanmaktadır. Amaç, şu anda çalışılmakta ve geliştirilmekte olan başlıca organik yayıcılar için kolayca uyarlanabilecek genel bir protokol oluşturmaktır.

Introduction

Günlük hayatta kullanılan organik elektronikteki artış eşsiz bir gerçeklik haline gelmiştir. Birkaç organik elektronik uygulama arasında, OLED'ler belki de en çekici olanıdır. Görüntü kalitesi, çözünürlüğü ve renk saflığı, OLED'leri ekranlar için birincil seçenek haline getirmiştir. Ayrıca, son derece ince, esnek, hafif ve kolay renk ayarlanabilir OLED'lerde geniş alan emisyonu elde etme olasılığının aydınlatmada uygulamaları vardır. Bununla birlikte, geniş alan yayıcılarda üretim süreciyle ilgili bazı teknolojik sorunlar, daha fazla uygulamayı ertelemiştir.

Düşük uygulanan voltajlarda çalışan ilk OLED1 ile, düşük harici kuantum verimliliği (EQE) ile birlikte katı hal aydınlatması için yeni paradigmalar tasarlanmıştır. OLED EQE, yayılan fotonların (ışık) enjekte edilen elektrik taşıyıcılarına (elektrik akımı) oranı ile elde edilir. Beklenen maksimum EQE için basit bir teorik tahmin, x ηint 2'η eşittir . İç verimlilik (η int), ηint  = γ x x Equation 1 Φ PL ile yaklaştırılabilir, burada γ yük dengesi faktörüne karşılık gelir, ΦPL fotolüminesans kuantum verimidir (PLQY) ve Equation 1 yayıcı eksiton (elektron deliği çifti) üretiminin verimliliğidir. Son olarak, η çıkış verimliliği2'dir. Dışa bağlama dikkate alınmazsa, dikkat üç konuya odaklanır: (1) malzemenin ışıltılı olarak yeniden birleşen eksitonlar oluşturmada ne kadar verimli olduğu, (2) yayıcı katmanların ne kadar verimli olduğu ve (3) cihaz yapısının iyi dengelenmiş bir elektrik sistemini teşvik etmede ne kadar verimli olduğu3.

Tamamen floresan organik bir yayıcı, sadece% 25 dahili kuantum verimliliğine (IQE) sahiptir. Spin kurallarına göre, üçlüden singlet'a (T→S) ışınımsal geçiş yasaktır4. Bu nedenle, uyarılmış elektrik taşıyıcılarının% 75'i fotonların emisyonuna katkıda bulunmaz5. Bu sorun ilk olarak organik yayıcı fosforesans OLED'lerinde geçiş metalleri kullanılarak aşıldı 6,7,8,9,10, IQE'nin% 100'e yakın olduğu bildirildi 11,12,13,14,15,16 . Bunun nedeni, organik bileşik ve ağır geçiş metali arasındaki spin-orbit bağlantısıdır. Bu tür yayıcılardaki dezavantaj, yüksek maliyetleri ve zayıf stabiliteleridir. Son zamanlarda, Adachi17,18 tarafından uyarılmış üçlü ve singlet durumları (∆EST) arasında düşük enerjili ayrılığa sahip saf bir organik bileşiğin kimyasal sentezi hakkındaki raporlar yeni bir çerçeveye yol açmıştır. Yeni19 olmasa da, TADF sürecinin OLED'lerde başarılı bir şekilde kullanılması, geçiş metali kompleksleri kullanmadan yüksek verimlilik elde etmeyi mümkün kılmıştır.

Bu tür metalsiz organik yayıcılarda, üçlü durumdaki uyarılmış taşıyıcıların singlet durumuna geçme olasılığı yüksektir; bu nedenle, IQE teorik sınırı% 100 5,20,21,22'ye ulaşabilir. Bu TADF malzemeleri, ışınımsal olarak yeniden birleşebilen eksitonlar sağlar. Bununla birlikte, bu yayıcılar, bir ev sahibi-misafir konseptinde 3,20,21,23,24 emisyon söndürmesini önlemek için bir matris konağında dağılma gerektirir. Ek olarak, verimliliği ev sahibinin (organik matris) misafir (TADF) malzemesine nasıl tahsis edildiğine bağlıdır25. Ayrıca, elektriksel olarak dengeli bir cihaz elde etmek için cihaz yapısını (yani ince katmanlar, malzemeler ve kalınlık) idealize etmek gerekir (kaybı önlemek için delikler ve elektronlar arasındaki denge)26. Elektrik dengeli bir cihaz için en iyi ev sahibi-misafir sistemini elde etmek, EQE'yi artırmak için esastır. TADF tabanlı sistemlerde, EML'deki elektriksel taşıyıcı hareketliliklerinde kolayca ayarlanamayan değişiklikler nedeniyle bu basit değildir.

TADF yayıcılarla,% 20'den büyük EQE değerlerinin elde edilmesi kolaydır26,27,28,29. Bununla birlikte, cihaz yapısı tipik olarak üç ila beş organik katmandan oluşur (sırasıyla delik taşıma / blokaj ve elektron taşıma / bloke etme katmanları, HTL / HBL ve ETL / EBL). Ek olarak, maliyeti yüksek, teknolojik olarak karmaşık ve neredeyse sadece ekran uygulamaları için termal bir buharlaştırma işlemi kullanılarak üretilmiştir. HOMO (en yüksek işgal edilmiş moleküler orbital) ve LUMO (en düşük boş moleküler orbital) seviyelerine, taşıyıcıların elektriksel hareketliliğine ve kalınlığına bağlı olarak, her katman elektrik taşıyıcılarını enjekte edebilir, taşıyabilir ve bloke edebilir ve yayıcı tabakada (EML) rekombinasyonu garanti edebilir.

Cihaz karmaşıklığını azaltmak (örneğin, basit, iki katmanlı bir yapı) genellikle EQE'nin gözle görülür bir şekilde azalmasına, bazen %5'in altına düşmesine neden olur. Bu, EML'deki farklı elektron ve delik hareketliliği nedeniyle olur ve cihaz elektriksel olarak dengesiz hale gelir. Böylece, eksiton oluşturmanın yüksek verimliliği yerine, EML'deki emisyon verimliliği düşük olur. Ayrıca, yüksek uygulanan voltajda yüksek eksiton konsantrasyonu ve uzun uyarılmış ömürler 24,30,31 nedeniyle parlaklık arttıkça EQE'nin güçlü bir şekilde azalmasıyla gözle görülür bir yuvarlanma meydana gelir. Bu tür sorunların üstesinden gelmek, yayıcı tabakanın elektriksel özelliklerini manipüle etmek için güçlü bir yetenek gerektirir. Çözelti biriktirilmiş yöntemleri kullanan basit bir OLED mimarisi için, EML'nin elektriksel özellikleri çözelti hazırlama ve biriktirme parametreleri32 ile ayarlanabilir.

Organik bazlı cihazlar için çözelti biriktirme yöntemleri daha önce kullanılmış31. OLED üretimi, termal buharlaşma işlemine kıyasla, basitleştirilmiş yapıları, düşük maliyetleri ve geniş alan üretimi nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Geçiş metali kompleksleri OLED'lerde yüksek başarı ile asıl amaç, yayma alanını arttırmak, ancak cihaz yapısını mümkün olduğunca basit tutmaktır33. Roll-to-roll (R2R)34,35,36, inkjet baskı37,38,39 ve slot-die40 gibi yöntemler, OLED'lerin çok katmanlı imalatında başarıyla uygulanmıştır ki bu da olası bir endüstriyel yaklaşımdır.

Cihaz mimarisinin basitleştirilmesi için iyi bir seçim görevi gören organik katmanlar için çözelti biriktirme yöntemlerine rağmen, istenen tüm malzemeler kolayca biriktirilemez. İki tür malzeme kullanılır: küçük moleküller ve polimerler. Çözelti biriktirme yöntemlerinde, küçük moleküllerin zayıf ince film homojenliği, kristalleşme ve stabilite gibi bazı dezavantajları vardır. Bu nedenle, polimerler çoğunlukla düşük yüzey pürüzlülüğüne ve büyük, esnek substratlara sahip düzgün ince filmler oluşturma kabiliyeti nedeniyle kullanılır. Ayrıca, malzemeler uygun çözücüde (esas olarak kloroform, klorobenzen, diklorobenzen vb. Organik olanlar), suda veya alkol türevlerinde iyi çözünürlüğe sahip olmalıdır.

Çözünürlük probleminin yanı sıra, bir katmanda kullanılan bir çözücünün önceki katman için bir çözücü gibi davranmaması gerektiğini garanti etmek gerekir. Bu, ıslak işlemle biriktirilen çok katmanlı bir yapıya izin verir; ancak, sınırlamalar vardır41. En tipik cihaz yapısı, bazı çözelti biriktirilmiş katmanları (yani, yayan katmanı) ve bir termal olarak buharlaştırılmış katmanı (ETL) kullanır. Ek olarak, ince film homojenliği ve morfolojisi, biriktirme yöntemlerine ve parametrelerine büyük ölçüde bağlıdır. Bu katmanlardan elektrik yükü taşınması tamamen bu morfoloji tarafından yönetilir. Bununla birlikte, istenen nihai cihaz ile üretim sürecinin uygunlukları arasında bir denge makul bir şekilde kurulmalıdır. Biriktirme parametrelerini ayarlamak, zaman alıcı bir iş olmasına rağmen başarının anahtarıdır. Örneğin, spin kaplama basit bir teknik değildir. Basit görünse de, ince film oluşumunun, eğirme substratının üstündeki bir çözeltiden dikkat gerektiren birkaç yönü vardır.

Film kalınlığı optimizasyonu, eğirme hızının manipülasyonu ve zamanın (kalınlık her iki parametrenin üstel bir bozunmasıdır) yanı sıra, deneycinin eylemleri de iyi sonuçlar elde etmek için ayarlanmalıdır. Doğru parametreler ayrıca çözelti viskozitesine, biriktirme alanına ve alt tabaka üzerindeki çözeltinin ıslanabilirliğine/temas açısına da bağlıdır. Benzersiz parametre kümeleri yoktur. Sadece çözeltiye/substrata özel ayarlamalar içeren temel varsayımlar istenen sonuçları verir. Ayrıca, katman moleküler konformasyonuna ve morfolojisine bağlı elektriksel özellikler, burada açıklanan protokol izlenerek istenen sonuçlar için optimize edilebilir. Tamamlandığında, süreç basit ve uygulanabilir.

Bununla birlikte, cihaz yapısının karmaşıklığını azaltmak, maksimum EQE düşüşüne yol açar; Bununla birlikte, verimlilik ve parlaklık açısından bir uzlaşma sağlanabilir. Böyle bir uzlaşma pratik uygulamalara izin verdiğinden, basit, geniş bir alan uyumlu ve düşük maliyetli bir sürecin fazlası gerçeğe dönüşebilir. Bu makalede, bu gereksinimler ve gerekli sorunları ele almak için bir tarifin nasıl geliştirileceği açıklanmaktadır.

Protokol, EML'ye karşılık gelen PVK [poli (N-vinilkarbazol)] ve OXD-7 [1,3-Bis [2-(4-tert-bütilfenil)-1,3,4-oksadiazo-5-il]benzen] tarafından oluşturulan bir konakçı matrisinde konuk olarak yeşil bir TADF yayıcı 2PXZ-OXD [2,5-bis (4-tert-bütilfenil)-1,3,4-oksadiazo-5-il]benzen] üzerine odaklanmaktadır. TmPyPb [1,3,5-Tri(m-piridin-3-ilfenil)benzen] elektron taşıma tabakası (ETL) kullanılır. Hem anotun hem de katodun çalışma fonksiyonları optimize edilmiştir. Anot, yüksek iletken polimer PEDOT: PSS [poli (3,4-etilendioksitiyofen)-poli (stirensülfonat)] ile ITO'dan (indiyum kalay oksit) oluşur ve katot çift kat alüminyum ve LiF'den (lityum florür) oluşur.

Son olarak, hem PEDOT: PSS hem de EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) spin kaplama ile biriktirilirken, TmPyPb, LiF ve Al termal olarak buharlaştırılır. PEDOT: PSS'nin iletken metal benzeri doğası göz önüne alındığında, cihaz mümkün olan en basit yapıda tipik bir "iki organik katman" dır. EML'de, TADF misafiri (ağırlıkça% 10), PVK0.6 + OXD-70.4'ten oluşan ev sahibine (ağırlıkça% 90) dağılmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

DİKKAT: Aşağıdaki adımlar farklı çözücülerin ve organik malzemelerin kullanımını içerir, bu nedenle kullanım sırasında uygun özen gösterilmelidir. Duman başlığını ve laboratuvar gözlükleri, yüz maskeleri, eldivenler ve laboratuvar önlükleri gibi koruyucu ekipmanları kullanın. Malzemelerin tartılması, yüksek hassasiyetli bir terazi makinesi kullanılarak hassas bir şekilde yapılmalıdır. Substratların temizliğini, ince filmlerin çözelti birikimini ve buharlaşmayı sağlamak için, tüm prosedürlerin kontrollü bir ortamda veya eldiven kutusunda yapılması önerilir. Bir spin-coater, mikropipetler, termal evaporatörler, organik malzemeler ve çözücüler kullanılmadan önce, tüm güvenlik bilgi formlarına başvurulmalıdır.

1. Ev sahibi-misafir çözümünün hazırlanması

  1. İki küçük şişede (hacim 4-6 mL arasında, izopropanol ile temizlenir ve azotla kurutulur), 12 mg PVK ve 8 mg OXD-7'den oluşan konakçı matrisini tartın. OXD-7'yi tartarak başlayın. 6:4 nihai oran (PVK:OXD-7) elde etmek için PVK kullanarak ağırlıktaki herhangi bir sapmayı telafi edin. İkinci şişede, 10 mg 2PXZ-OXD TADF yayıcı ağırlığındadır.
  2. Konakçı matrisli şişeye 2 mL klorobenzen ve TADF malzemesi ile şişeye 1 mL ekleyin. Herhangi bir şişenin ağırlıkları tam olarak yukarıda açıklanan değerler değilse, nihai konsantrasyonu 10 mg / mL'lik bir çözelti elde etmek için her iki şişedeki klorobenzen hacmini ayarlayın.
  3. Malzemelerin tamamen çözünmesini sağlamak için çözeltileri küçük, temizlenmiş manyetik karıştırma çubuklarıyla en az 3 saat karıştırarak bırakın. Solventlerin buharlaşmasını önlemek için şişelerin ilgili kapaklarla güvenli bir şekilde kaplandığından ve organik kimyasal güvenli film ile sıkıca kapatıldığından emin olun.

2. Alt tabaka temizliği

NOT: Alt tabakaları tutmak için, yalnızca bir köşeye dokunarak bir çift cımbız kullanın (alt tabakaların ortasına asla dokunmayın). Burada kullanılan substratlar önceden desenlenmiş altı ITO pikseline sahiptir (Şekil 1A).

  1. Önceden desenlenmiş ITO substratları elde edin. Suda, asetonda ve 2-propanol (IPA) içinde% 1 v / v Hellmanex çözeltisi içeren ultrasonik bir banyodaki substratları, sırasıyla, her banyoda 15 dakika boyunca temizleyin. İlk banyoyu yaklaşık 95 °C'de ve kalanını oda sıcaklığında (RT) yapın. Son olarak, herhangi bir temizleme çözücü kalıntısını gidermek için substratları azot akısı kullanarak kurulayın.
  2. Üretimden önce, substratları (yukarı bakan ITO filmi) 5 dakika boyunca UV ozon işlemine maruz bırakın. Gazları dikkatlice çıkarın ve ITO desenli yüzün UV'ye maruz kaldığından emin olun. Burada bir ozon temizleyici kullanın (100 W, 40 kHz). UV lambalarının emisyon dalga boyunu yüksek yoğunluklu, düşük basınçlı, cıva buharı deşarj lambası ile 185 nm ve 254 nm'ye ayarlayın.

3. Spin kaplama

Bu, bu protokolün en önemli adımıdır. İnce filmlerde homojenlik, homojenlik ve iğne deliklerinin olmamasını sağlamak için, tüm çözücüler ilgili filtre kağıtlarıyla filtrelenmelidir. Son cihazda herhangi bir kısalığı önlemek için fazla çözücülerin substratlardan tamamen çıkarılması sağlanmalıdır. Burada kullanılan substratlar için, fazla malzemelerin desenli ITO ve katottan çıkarılması da son pikseli sabitlemek için önemlidir ve pikselin aktif alanını bozmadan yüksek hassasiyetle yapılmalıdır. İnce filmlerin spin kaplaması için aşağıda açıklanan adımlar izlenmelidir. İnce filmin son kalınlığı, burada kullanılandan farklı bir spin kaplayıcı kullanılıyorsa değişecektir.

  1. Spin kaplayıcı ekipmanını hazırlayın.
    NOT: Spin kaplayıcıyı kullanmadan önce, biriktirme parametreleri ve filmler için elde edilen son kalınlık ile eğri kalibrasyonu yapmak gerekir. Bu, kullanılan her çözüm için yapılmalıdır. Prosedür, aynı çözelti için farklı parametrelerle birkaç biriktirme yapmayı içerir ve nihai kalınlık bir profilometre ile ölçülür. Şekil 2 , etkin bir katman için tipik bir kalibrasyon eğrisini göstermektedir.
  2. PEDOT: PSS'yi ITO'nun üstündeki ilk katman olarak yatırın. PEDOT:PSS'yi 0,45 μm poliviniliden florür (PVDF) filtresiyle filtreleyin. Bir mikropipeti 100 μL PEDOT:PSS ile doldurun.
  3. Substratı dikkatlice spin kaplayıcı mandren üzerine yerleştirin ve substratı sabitlemek için vakum sistemini etkinleştirin (Şekil 1B, C). ITO'yu yüzü yukarı bakacak şekilde döndürün ve alt tabaka alanını mümkün olduğunca ortalayacak şekilde ayarlayın. Spin kaplama parametrelerini 30 s için 5.000 rpm'ye ayarlayın. Düşük rotasyonda (200–500 rpm) ~2–3 sn sıkma kaplayıcısını kullanarak bir başlangıç adımı ayarlayın. 30 nm kalınlığında bir kalınlık bekleniyor.
  4. Mikropipeti substrata dik tutarak (Şekil 1D), çözeltiyi (100 μL) substratın ortasına bırakın (Şekil 1D) ve spin kaplayıcıyı başlatın (Şekil 1E).
    NOT: Çözeltinin homojen olmayan bir şekilde yayılma riskini önlemek için çözeltiyi çok hızlı veya yavaş düşürmeyin (viskoziteye bağlı olarak, temas açısı ideal olmayabilir). Genellikle, çözeltiyi ~ 1 s içinde bırakmak idealdir. Alt tabakaya mikropipetle dokunmayın ve spin kaplayıcıyı başlatmak ve çözeltiyi düşürmek arasında senkronize olmaya çalışın. İki adımlı bir biriktirme ayarı (adım 3.3'te açıklandığı gibi) mevcut değilse, statik bir biriktirme düşünün: önce çözeltiyi bırakın, ardından sıkma kaplayıcısını hemen ardından başlatın. Çözeltinin düşürülmesi dikkatlice yapılmalıdır. Tüm çözeltiler dönme ekseninin merkezine bırakılmalı ve işlem sırasında homojensizlikleri önlemek için düzgün bir nokta oluşturmalıdır. Bu kuralların iyi film biriktirme için ideal olmasına rağmen, spin kaplama tekniğinin optimize edilmesinin zor olduğunu (yani, birkaç ön optimizasyon adımı gerektirdiğini) unutmayın. Ayrıca, çözelti viskozitesine, istenen alanın birikmesine, çözeltinin substrat üzerine nasıl bırakıldığına ve eğirmenin başlangıcına bağlıdır. Mikroskobik ölçekte iyi bir film oluşumu örneği, Şekil 3'te AFM görüntüsü olarak görülebilir.
  5. Spin kaplayıcı adımını tamamlayın (Şekil 1F). Vakumu kapatın ve bir cımbizer ile substratı çıkarın. Suya batırılmış küçük pamuk tomurcuğu yardımıyla (yani, PEDOT: PSS çözücü; Şekil 1G), katot ve köşe alanlarının etrafında biriken fazla filmi substrattan çıkarın ve merkezi pikselli alana dokunulmadan kalın.
  6. PEDOT:PSS çözücüsünü (su) çıkarmak için substratı 120 °C'de 120 °C'de bir fırında veya sıcak plakada 15 dakika tutun. Fırından veya ocaktan çıkarın, bir eldiven kutusuna taşıyın ve RT'ye soğumaya bırakın (Şekil 1H).
  7. EML için çözümü hazırlayın. Yeni bir temiz şişede (bkz. adım 1.1), bir mikropipet kullanarak, 1,8 mL konakçı çözeltisi ve 0,2 mL TADF çözeltisinden oluşan yeni bir çözelti hazırlayın. Çözeltiyi kullanmadan önce, 0,1 μm PTFE filtre ile filtreleyin.
  8. Yeni çözümü RT'de 15 dakika boyunca karıştırın.
  9. 3.3–3.5 adımlarını izleyerek, bu ikinci çözeltinin eldiven kutusundaki bir spin kaplayıcıda birikmesini sağlayın. 60 s için 2.000 rpm'de döndürün. Beklenen film kalınlığı 50 nm olmalıdır. İkinci filmin fazlalığını gidermek için, klorobenzene batırılmış pamuk tomurcukları kullanın.
  10. Fazla klorobenzeni tamamen çıkarmak için alt tabakaları torpido gözünün içindeki sıcak plakada 30 dakika boyunca 70 °C'de bırakın.
  11. Alt tabakaları sıcak plakadan çıkarın ve RT'ye soğumaya bırakın.
  12. Ek önlemler için, farklı çözücüler için bazı sıcaklık/zaman (dolaylı olarak, buharlaşma hızı) testlerini göz önünde bulundurun. Son filmin morfolojisi bu parametrelere büyük ölçüde bağlıdır. Basit bir AFM testi, solvent buharlaşma hızının yeterli olduğunu doğrulamak için yararlı olabilir. Biriken ince filmlerin son yapısı, Şekil 1I'deki şemaya az çok benzer olmalıdır.

4. Malzemelerin buharlaşması

NOT: Daha iyi buharlaşma için, gereken minimum vakum tipik olarak 5 x 10-5 mbar'dan daha düşük bir basınçtır. Tüm organik malzemeler için, buharlaşma hızı, tabakaların pürüzlülüğünü ve homojenliğini azaltmak için 2 ş/ s'nin altında tutulmalıdır. LiF için buharlaşma hızı 0,2 ş/ s'den az olmalıdır. Buna uyulmaması, düzgün olmayan emisyonlara neden olabilir. Henüz yapılmadıysa, piezoelektrik sensör sistemini (biriktirme kalınlığını ve buharlaşma hızını ölçen) 1) malzeme yoğunluğu, 2) Z-faktörü: malzemenin sensöre akustik olarak bağlanması ve 3) alet faktörü: evaporasyon potasının numune tutucuya karşı geometrik kalibrasyonu. Evaporatörü kullanmadan önce, bu tür kalibrasyonların nasıl yapılacağına ilişkin ekipman spesifikasyonlarına bakın ve belirli bir malzemenin yoğunluğu ve Z-faktörü değerleri için malzeme veri sayfasına bakın. Programlandıktan sonra ve herhangi bir buharlaşma odası geometrisi değişikliği olmadan (takım faktörü), veriler aynı malzemelerle gelecekte kullanılmak üzere saklanabilir.

  1. Substratları (filmler yüzü aşağı bakacak şekilde ve adım 3.11 tamamlandıktan sonra) istenen buharlaştırma maskesi ile numune tutucuya yerleştirin (Şekil 4A).
  2. Gerekli potaları dahil edin (geometri spesifik evaporatör sistemine bağlıdır) ve her birini gerekli malzemelerle (LiF, TmPyPb ve Al) doldurun. OLED'lerin geliştirilmesinde termal buharlaşma sürecinin ayrıntılı bir açıklaması literatür43'te bulunabilir ve bu raporda daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.
  3. Substrat tutucuyu numunelerle birlikte evaporatör numune tutucusuna yerleştirin (Şekil 4B). Odayı kapatın ve evaporatör odasına pompalayın. Evaporatör sistemi için ilgili talimatları izleyin.
  4. 40 nm kalınlığında bir TmPyPb filmi buharlaştırın. Sırasıyla 2 nm LiF ve 100 nm Al buharlaştırın. Buharlaşma için, yayınlanan prosedürüizleyin 43.
    NOT: Son yapı Şekil 4C'de gösterilmiştir. Mevcut çalışmada, cihazlar kapsüllenmemiştir. Uzun vadeli deneyler için, burada odak noktası olmayan kapsülleme yapılmalıdır.

5. Cihaz karakterizasyonu

NOT: Son cihazı karakterize etmek için, son derece hassas bir voltaj ölçer, parlaklık ölçer ve spektrometre kullanın. Bütünleştirici bir küre varsa, onu kullanın. Aksi takdirde, parlaklık ölçeri OLED yüzey emisyonuna dik olarak üretici tarafından belirtilen ve odak lensine bağlı olarak bir mesafeye yerleştirin. Entegre bir küre kullanılmıyorsa, OLED cihaz emisyonunun verimlilik hesaplaması için bir Lambertian profilini izlediği varsayılabilir. Burada, çizilen parlaklık, entegre bir küre altında ölçülenlere karşılık gelmez (bu nedenle, en az π kat daha az olacaktır).

  1. Üretilen OLED cihazını test tutucuya yerleştirin ve istediğiniz piksel için elektrik kontaklarını yapın. Akımı (I), uygulanan voltajı (V) ve parlaklığı (L) ölçün. Deney düzeneği ile ilgili tüm detaylar daha önce43 olarak açıklanmıştı.
  2. Bir spektrometre ile, elektrolüminesans spektrumlarını (EL), OLED işlem44'ün dinamik aralığına karşılık gelen bir aralıkta farklı uygulanan voltajlarda ölçün. En az üç ila dört spektrum alın. Burada 5 V, 10 V ve 15 V uygulanan gerilimler kullanılır.
  3. Gerekli yazılımı kullanarak, akım yoğunluğunu (J), akım verimliliğini (μc candela / Amper), güç verimliliğini (ηp, lümen / Watt) ve harici verimliliği (EQE) hesaplayın. Elektrolüminesans spektrumları ile CIE renk koordinatlarını belirleyin. Tüm bu liyakat rakamlarının nasıl hesaplanacağına dair uygun bilgiler daha önce44 olarak açıklanmıştır.
  4. Belirtilen verileri çizin. Sonuçların verimlilik ve parlaklık açısından eleştirel bir analizini yapın. Elektrolüminesans spektrumlarına bakın ve sonuçları anlamak için bir model oluşturmaya çalışın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Şekil 5 , fabrikasyon cihazın ana sonuçlarını göstermektedir. Açma voltajı son derece düşüktü (~ 3 V), bu da iki organik katmanlı bir cihaz için ilginç bir sonuçtur. Maksimum parlaklık, entegre bir küre kullanmadan yaklaşık 8.000 cd /m2 idi. ηc, ηp ve EQE için maksimum değerler sırasıyla 16 cd / A, 10 lm / W ve% 8 civarındaydı. Sonuçlar, bu TADF yayıcı için en iyi değerler olmasa da, çözüm süreci yöntemiyle bu yayıcıyı kullanan bu kadar basit bir cihaz yapısında en iyi bulunanlardı.

Aynı yayıcı42 için beş katmanlı termal olarak buharlaştırılmış bir OLED'de maksimum% 14.9'luk bir EQE bildirilmiştir. Önemli olarak, EQE'nin nispeten düşük bir yuvarlanma davranışı gösterdiği gözlenmiştir (L = 100 cd / m2 için% 7.5'e yakın ve L = 1000 cd / m2 için ~% 6) ve bu tür yuvarlanma değerleri bu spesifik TADF yayıcı42 için elde edilen en iyisidir. Bu, çözelti biriktirme kullanarak EML'nin elektriksel özelliklerini modüle etmek için kullanılan konseptin etkili bir şekilde geçerli olduğu anlamına gelir. Yüksek elektrik taşıyıcı yoğunluğu nedeniyle kimyasal bağların iyi bilinen kırılmasına karşılık gelen 15 V'tan daha yüksek uygulanan voltajlar için bazı bozulmalar gözlenmiştir.

Bu sonuçların açıklaması ilginçtir. Girişte açıklanan kavram ve analizlerin ardından, basit yapısına rağmen elektriksel olarak dengeli ve verimli bir cihaz elde edilmiştir. EML'deki bileşimle, mümkün olan en iyi eksiton rekombinasyonuna yeterli bir taşıyıcı profil elde etmek için elektriksel hareketliliğin modülasyonu hesaplandı. Yayınlanmış bir prosedür45'i takiben iki basit n-tipi veya p-tipi sadece cihaz hazırlandı ve aktif tabaka için hareketlilik μn = 6.27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 ve μp = 4.76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1idi.

Çözelti biriktirme ile, EML'nin elektriksel özellikleri doğru ayarlamalardan ve biriktirme parametrelerinin ayarlanmasından modüle edilebildiğinden, elektriksel olarak dengelenmiş basit bir cihaz elde edilebilir. Test edilecek yayıcılara bağlı olarak, bu konsept çözümle işlenmiş OLED'lerin daha da geliştirilmesi için kolayca uyarlanabilir.

Figure 1
Şekil 1: Protokol şeması. ITO şeritleri ile kullanılan desenli yüzeyler. Her substratta, ayrı ayrı 4mm2 alanlara sahip altı OLED üretildi. Spin kaplayıcı tekniğini kullanan biriktirme işleminin basit bir şeması gösterilmiştir. Biriken filmin ana alanı, buharlaştırıldığında elektrik kontaklarının hassas bir şekilde konumlandırılmasını sağlamak için temizlenecek bölgeleri gösterir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Resim 2: Tipik spin kaplayıcı kalibrasyon eğrisi. Bu durumda ve aktif katman için 60 s'lik sabit bir süre kullanılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Resim 3: PVK:OXD-7:2PXZ-OXD'nin AFM görüntüsü (%10 ağırlık) klorobenzen çözeltisinden 50 nm ince film. Film, protokolde açıklandığı gibi spin kaplama kullanılarak biriktirildi. RMS değeri yalnızca 0,309 nm'dir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Buharlaşma şeması. (A) Biriken filmlerin üzerine ayarlanan buharlaşma maskesi. Genellikle, belirli destekler için önceden tasarlanmıştır. (B) Farklı potalara sahip buharlaşma odasının şeması. Tip, sayı ve konum, belirli ekipmana bağlıdır. Kalınlık ölçümleri için sensörler potaların yanına yerleştirilir. Üstte, numune tutucu, substrat tutucuyu maskelerle kaplar. (C) Üretilen OLED'in son şemaları (ve tipik fotoğrafları). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Üretilen yeşil OLED'lerin ana değer rakamları. (A) Normal akım yoğunluğu (J), uygulanan voltaj (V) ve parlaklık (L). (B) Akım yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak akım ve güç verimliliği. (C) Roll-off'u değerlendirmek için parlaklığın bir fonksiyonu olarak EQE. (D) 10 V'taki elektrolüminesans spektrumları (OLED'lerin görüntüsü dahil). Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Basit bir cihaz yapısında verimli bir OLED üretmek için burada kullanılan protokol nispeten basittir. Elektriksel hareketlilik sadece bir cihaz katmanının malzeme bileşimi ile modüle edilmekle kalmaz, aynı zamanda kritik olarak film morfolojisine de bağlıdır. Çözeltilerin hazırlanması ve uygun bir çözücü ve konsantrasyon seçimi önemlidir. Nanometrik ölçekte tam çözünürlük anlamına gelen hiçbir malzeme agregasyonu meydana gelemez. Çözeltinin viskozitesini gözlemlemek de önemlidir. Yüksek viskozite, substrat üzerindeki çözeltinin yüksek temas açısına yol açar ve bunun tersi de mümkündür. Her iki durumda da, spin kaplama ile homojen olmayan bir film oluşturulabilir. Ek olarak, çözeltiyi düşürmeden önce spin kaplayıcı rotasyonunun başlatılmasından kaçınılmalıdır. Son olarak, çözeltiyi spin kaplayıcıya düşürmek için otomatik bir sistem, iyi ince film birikimi için avantajlı olan bir seçenektir. Aksi takdirde, çözeltiyi düşürürken mikropipetin mümkün olduğunca dik kalmasını (substratla ilgili) garanti etmek gerekir. Ayrıca, spin kaplayıcı başladığında ekstra küçük düşüşleri önlemek için tüm çözelti düştüğünde derhal çıkarılmalıdır.

Girişte belirtildiği gibi, tüm malzemeler çözelti işlemi kullanılarak kolayca biriktirilemez. Neyse ki, çoğu cihaz burada açıklanan protokol kullanılarak üretilebilir. İyi film oluşumuna (moleküler istifleme ölçeğinde bile) güçlü bir şekilde bağlı olan liyakat rakamlarının daha da iyileştirilmesi sağlanabilir. Genel elektriksel özellikler buna bağlıdır. Yöntemin basitliğinin yanı sıra, spin kaplama yöntemleri kullanılarak cihazın mutlak tekrarlanabilirliği, insan hatası nedeniyle yaklaşık% 50'dir. Ayrıca, geniş alan substratları için kullanılamaz.

Son olarak, protokolde açıklanan tüm adımlar, kararlı, verimli ve basit OLED'ler üretmek için ortak çerçeve olarak görülebilir. Basılı elektroniğe yönelik eğilim göz önüne alındığında, bu çalışma gelecekteki uygulamalar için büyük önem taşımaktadır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Acknowledgments

Yazarlar, Avrupa Birliği'nin Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programından 674990 sayılı Marie Sklodowska-Curie hibe anlaşması kapsamındaki "EXCILIGHT" Projesini kabul etmek istiyor. Bu çalışma aynı zamanda FCT/MEC aracılığıyla ulusal fonlarla finanse edilen i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020 projesi kapsamında geliştirilmiştir.

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

Mühendislik Sayı 189 OLED çözelti biriktirilmiş cihazlar liyakat roll-off rakamları organik elektronik mühendisliği termal olarak aktive edilmiş gecikmeli floresan düşük karmaşık cihaz yapısı basit OLED üretim süreci
Çözüm Biriktirmeden Verimli OLED'lerin Geliştirilmesi
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