Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utveckling av effektiva OLED från lösningsdeposition

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

Här presenteras ett protokoll för tillverkning av effektiva, enkla, lösningsavsatta organiska lysdioder med låg avrullning.

Abstract

Användningen av högeffektiva organiska emittrar baserade på konceptet termiskt aktiverad fördröjd fluorescens (TADF) är intressant på grund av deras 100% interna kvanteffektivitet. Här presenteras en lösningsdepositionsmetod för tillverkning av effektiva organiska lysdioder (OLED) baserade på en TADF-emitter i en enkel enhetsstruktur. Denna snabba, billiga och effektiva process kan användas för alla OLED-emitterande lager som följer värd-gästkonceptet. De grundläggande stegen beskrivs tillsammans med nödvändig information för vidare reproduktion. Målet är att upprätta ett allmänt protokoll som enkelt kan anpassas för de viktigaste organiska utsläpparna som för närvarande studeras och utvecklas.

Introduction

Ökningen av organisk elektronik som används i det dagliga livet har blivit en oöverträffad verklighet. Bland flera organiska elektroniska applikationer är OLED kanske de mest attraktiva. Deras bildkvalitet, upplösning och färgrenhet har gjort OLED till ett primärt val för skärmar. Dessutom har möjligheten att uppnå stora utsläpp i extremt tunna, flexibla, lätta och enkla färgavstämbara OLED applikationer inom belysning. Vissa tekniska problem i samband med tillverkningsprocessen i stora utsläppare har dock skjutit upp ytterligare tillämpning.

Med den första OLED som arbetar med låga tillämpade spänningar1 har nya paradigmer för solid state-belysning utformats, men med låg extern kvanteffektivitet (EQE). OLED EQE erhålls genom förhållandet mellan utsända fotoner (ljus) och injicerade elektriska bärare (elektrisk ström). En enkel teoretisk uppskattning för den maximala förväntade EQE är lika med ηut x ηint 2. Den interna effektiviteten (ηint) kan approximeras med ηint = γ x Equation 1 x ΦPL, där γ motsvarar laddningsbalansfaktorn, ΦPL är fotoluminescenskvantutbytet (PLQY) och Equation 1 är effektiviteten för generering av emissiv exciton (elektronhålspar). Slutligen är ηut utkopplingseffektiviteten2. Om frikoppling inte beaktas fokuseras uppmärksamheten på tre ämnen: (1) hur effektivt materialet är för att skapa excitoner som strålningsrekombinerar, (2) hur effektiva de emitterande skikten är och (3) hur effektiv enhetsstrukturen är för att främja ett välbalanserat elsystem3.

En rent fluorescerande organisk emitter har endast 25% intern kvanteffektivitet (IQE). Enligt spinnreglerna är strålningsövergången från en triplet till en singlet (T→S) förbjuden4. Därför bidrar 75% av exciterade elektriska bärare inte till utsläpp av fotoner5. Detta problem övervanns först med hjälp av övergångsmetaller i OLEDför organisk emitterfosforescens 6,7,8,9,10, där IQE enligt uppgift var nära 100% 11,12,13,14,15,16 . Detta beror på spin-orbit-kopplingen mellan den organiska föreningen och tungövergångsmetallen. Nackdelen i sådana emittrar är deras höga kostnader och dåliga stabilitet. Nyligen har rapporter om den kemiska syntesen av en ren organisk förening med låg energiseparation mellan exciterade triplett- och singlettillstånd (∆EST) av Adachi17,18 gett upphov till ett nytt ramverk. Även om det inte är nya19, har den framgångsrika användningen av TADF-processen i OLED gjort det möjligt att uppnå hög effektivitet utan att använda övergångsmetallkomplex.

I sådana metallfria organiska emittrar är det stor sannolikhet för de upphetsade bärarna i ett tripletttillstånd att fylla i singlet-tillståndet; därför kan IQE uppnå en teoretisk gräns på 100% 5,20,21,22. Dessa TADF-material ger excitoner som kan rekombineras strålande. Dessa sändare kräver dock spridning i en matrisvärd för att undvika att emissionen släcker 3,20,21,23,24 i ett värd-gästkoncept. Dessutom beror dess effektivitet på hur värden (organisk matris) tilldelas gästmaterialet (TADF)25. Det är också nödvändigt att idealisera enhetsstrukturen (dvs. tunna lager, material och tjocklek) för att uppnå en elektriskt balanserad enhet (jämvikt mellan hål och elektroner för att undvika förlust)26. Att uppnå det bästa värd-gästsystemet för en elektriskt balanserad enhet är grundläggande för att öka EQE. I TADF-baserade system är detta inte enkelt på grund av förändringarna i elbärarmobiliteterna i EML som inte är lätta att ställa in.

Med TADF-sändare är EQE-värden större än 20% lätta att få 26,27,28,29. Enhetsstrukturen består dock vanligtvis av tre till fem organiska lager (håltransport / blockering och elektrontransport / blockerande lager, HTL / HBL respektive ETL / EBL). Dessutom tillverkas den med hjälp av en termisk avdunstningsprocess som är hög i kostnad, tekniskt komplex och nästan endast för displayapplikationer. Beroende på HOMO-nivåerna (högsta upptagna molekylära orbital) och LUMO-nivåer (lägsta lediga molekylära orbital), elektrisk rörlighet hos bärare och tjocklek kan varje lager injicera, transportera och blockera elektriska bärare och garantera rekombination i det emitterande skiktet (EML).

Att minska enhetens komplexitet (t.ex. en enkel tvåskiktsstruktur) resulterar vanligtvis i en märkbar minskning av EQE, ibland till mindre än 5%. Detta händer på grund av den olika elektron- och hålmobiliteten i EML, och enheten blir elektriskt obalanserad. Således, istället för den höga effektiviteten av excitonskapande, blir effektiviteten av utsläpp i EML låg. Dessutom sker en märkbar avrullning med en stark minskning av EQE när ljusstyrkan ökar på grund av den höga koncentrationen av excitoner vid en hög applicerad spänning och långa exciterade livslängder 24,30,31. Att övervinna sådana problem kräver en stark förmåga att manipulera elektriska egenskaper hos det emitterande skiktet. För en enkel OLED-arkitektur med lösningsavsatta metoder kan EML: s elektriska egenskaper ställas in med lösningsberednings- och deponeringsparametrarna32.

Lösningsdeponeringsmetoder för organiskt baserade enheter har tidigare använts31. OLED-tillverkning, jämfört med den termiska avdunstningsprocessen, är av stort intresse på grund av deras förenklade struktur, låga kostnader och stora områdesproduktion. Med hög framgång i övergångsmetallkomplex OLED är huvudmålet att öka emitteringsområdet men hålla enhetsstrukturen så enkel som möjligt33. Metoder som roll-to-roll (R2R)34,35,36, bläckstråleutskrift37,38,39 och slot-die 40 har framgångsrikt tillämpats vid flerskiktstillverkning av OLED, vilket är ett möjligt industriellt tillvägagångssätt.

Trots att lösningsdeponeringsmetoder för organiska lager fungerar som ett bra val för förenkling av enhetsarkitektur, kan inte alla önskade material enkelt deponeras. Två typer av material används: små molekyler och polymerer. I lösningsavsättningsmetoder har små molekyler vissa nackdelar, såsom dålig tunnfilmsuniformitet, kristallisering och stabilitet. Således används polymerer mestadels på grund av förmågan att bilda enhetliga tunna filmer med låg ytjämnhet och på stora, flexibla substrat. Dessutom bör materialen ha god löslighet i lämpligt lösningsmedel (främst organiska som kloroform, klorbensen, diklorbensen, etc.), vatten eller alkoholderivat.

Förutom löslighetsproblemet är det nödvändigt att garantera att ett lösningsmedel som används i ett lager inte ska fungera som ett för föregående lager. Detta möjliggör en flerskiktsstruktur avsatt genom den våta processen; Det finns dock begränsningar41. Den mest typiska enhetsstrukturen använder vissa lösningsavsatta lager (dvs. det emitterande) och ett termiskt indunstat skikt (ETL). Dessutom beror tunnfilmshomogenitet och morfologi starkt på deponeringsmetoderna och parametrarna. Elektrisk laddningstransport genom dessa lager styrs helt av sådan morfologi. Icke desto mindre bör en avvägning mellan den önskade slutanordningen och kompatibiliteten i tillverkningsprocessen fastställas på ett klokt sätt. Att justera deponeringsparametrarna är en nyckel till framgång, trots att det är tidskrävande arbete. Till exempel är spinnbeläggningen inte en enkel teknik. Även om det verkar enkelt finns det flera aspekter av tunnfilmsbildning från en lösning ovanpå ett snurrande substrat som kräver uppmärksamhet.

Förutom filmtjockleksoptimering, manipulation av spinnhastighet och tid (tjocklek är ett exponentiellt sönderfall av båda parametrarna) måste experimentörens handlingar också justeras för att få bra resultat. Korrekta parametrar beror också på lösningens viskositet, avsättningsarea och vätbarhet/kontaktvinkel för lösningen på substratet. Det finns inga unika uppsättningar parametrar. Endast grundläggande antaganden med specifika justeringar av lösningen/substratet ger önskat resultat. Dessutom kan de elektriska egenskaperna som beror på skiktets molekylära konformation och morfologi optimeras för önskade resultat, enligt protokollet som beskrivs här. När processen är klar är den enkel och genomförbar.

Att minska enhetsstrukturens komplexitet leder dock till en maximal EQE-minskning; Även om en kompromiss kan uppnås när det gäller effektivitet kontra ljusstyrka. Eftersom en sådan kompromiss möjliggör praktiska tillämpningar kan överskottet av en enkel, stor områdeskompatibel och lågkostnadsprocess bli verklighet. I den här artikeln beskrivs dessa krav och hur du utvecklar ett recept för att hantera de problem som krävs.

Protokollet fokuserar på en grön TADF-emitter 2PXZ-OXD [2,5-bis(4-(10H-fenoxazin-10-yl)fenyl)-1,3,4-oxadiazol]42 som gäst i en värdmatris sammansatt av PVK [poly(N-vinylkarbazazol)] och OXD-7 [1,3-Bis[2-(4-tert-butylfenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]bensen], vilket motsvarar EML. Ett elektrontransportskikt (ETL) av TmPyPb [1,3,5-Tri(m-pyridin-3-ylfenyl)bensen] används. Både anodens och katodens arbetsfunktioner är optimerade. Anoden består av ITO (indiumtennoxid) med en högledande polymer PEDOT:PSS [poly(3,4-etylendioxitiofen)-poly(styrensulfonat)], och katoden består av ett dubbelskikt av aluminium och LiF (litiumfluorid).

Slutligen deponeras både PEDOT: PSS och EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) genom spinnbeläggning, medan TmPyPb, LiF och Al indunstas termiskt. Med tanke på PEDOT: PSS ledande metallliknande natur är enheten ett typiskt "två organiska lager" i den enklaste möjliga strukturen. I EML sprids TADF-gäst (10% vikt.) i värden (90% vikt) som består av PVK0,6 + OXD-70,4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

VARNING: Följande steg innebär användning av olika lösningsmedel och organiska material, så lämplig försiktighet måste vidtas vid hantering. Använd dragskåp och skyddsutrustning som labbglasögon, ansiktsmasker, handskar och labbrockar. Vägning av materialen bör göras exakt med hjälp av en högprecisionsskalamaskin. För att säkerställa renheten hos substraten, lösningsavsättning av tunna filmer och avdunstning rekommenderas att alla procedurer utförs i en kontrollerad miljö eller handskfack. Innan en spinnbeläggning, mikropipetter, termiska förångare, organiska material och lösningsmedel används, måste alla säkerhetsdatablad konsulteras.

1. Beredning av värd-gästlösning

  1. I två små injektionsflaskor (volym mellan 4–6 ml, rengöras med isopropanol och torkas med kväve) vägs värdmatrisen bestående av 12 mg PVK och 8 mg OXD-7. Börja med att väga OXD-7. Kompensera eventuella avvikelser i vikten med PVK för att uppnå ett slutligt förhållande på 6: 4 (PVK: OXD-7). I den andra injektionsflaskan väger du 10 mg 2PXZ-OXD TADF-emitter.
  2. Tillsätt 2 ml klorbensen till injektionsflaskan med värdmatris och 1 ml till injektionsflaskan med TADF-material. Om vikterna på injektionsflaskorna inte exakt motsvarar de värden som beskrivs ovan, justera klorbensenvolymen i båda injektionsflaskorna för att uppnå en lösning med en slutlig koncentration på 10 mg/ml.
  3. Låt lösningarna omröra med små, rengjorda magnetiska omrörningsstänger i minst 3 timmar för att säkerställa fullständig upplösning av materialen. Se till att injektionsflaskorna är säkert täckta med respektive lock och tätt förseglade med organisk kemikaliesäker film för att undvika avdunstning av lösningsmedel.

2. Rengöring av underlag

OBS: För att hantera underlagen, använd en pincett och rör bara i ett hörn (rör aldrig mitten av underlaget). Underlagen som används här har sex förmönstrade ITO-pixlar (figur 1A).

  1. Skaffa förmönstrade ITO-substrat. Rengör underlag i ett ultraljudsbad som innehåller 1% v/v Hellmanex lösning i vatten, aceton och 2-propanol (IPA), sekventiellt, i 15 minuter i varje bad. Utför det första badet vid cirka 95 °C och det återstående vid rumstemperatur (RT). Torka slutligen substraten med kväveflöde för att avlägsna eventuella rester av rengöringslösningsmedel.
  2. Innan tillverkning, utsätt substraten (ITO-film uppåt) för UV-ozonbehandling i 5 minuter. Extrahera försiktigt gaserna och se till att det ITO-mönstrade ansiktet utsätts för UV. Använd här en ozonrengörare (100 W, 40 kHz). Ställ in UV-lampornas emissionsvåglängd på 185 nm och 254 nm med en högintensiv, lågt tryck, kvicksilverångurladdningslampa.

3. Spinnbeläggning

Detta är det viktigaste steget i detta protokoll. För att säkerställa enhetlighet, homogenitet och frånvaro av pinhål i de tunna filmerna måste alla lösningsmedel filtreras med sina respektive filterpapper. Fullständigt avlägsnande av överskott av lösningsmedel från substrat bör säkerställas för att undvika kort i den slutliga enheten. För de substrat som används här är avlägsnandet av överskott av material från den mönstrade ITO och katoden också viktigt för att fixa den slutliga pixeln, och den bör utföras med hög precision utan att störa pixelens aktiva område. Stegen som beskrivs nedan bör följas för spinnbeläggning av de tunna filmerna. Den slutliga tjockleken på den tunna filmen varierar om du använder en annan spinnbeläggning än den som används här.

  1. Förbered spinnbeläggningsutrustningen.
    OBS: Innan du använder spinnbeläggningen är det nödvändigt att göra en kurvkalibrering med deponeringsparametrarna och den slutliga tjockleken som erhållits för filmerna. Detta bör göras för varje lösning som används. Förfarandet innebär att man gör flera avsättningar för samma lösning men med olika parametrar, och den slutliga tjockleken mäts med en profilometer. Figur 2 visar en typisk kalibreringskurva för ett aktivt lager.
  2. Sätt in PEDOT:PSS som det första lagret ovanpå ITO. Filtrera PEDOT:PSS med ett 0,45 μm polyvinylidenfluoridfilter (PVDF). Fyll en mikropipet med 100 μL PEDOT:PSS.
  3. Placera försiktigt underlaget på spinnbeläggningschucken och aktivera vakuumsystemet för att fixera underlaget (figur 1B,C). Vrid ITO uppåt och justera för att centrera underlaget så mycket som möjligt. Ställ in parametrarna för spinnbeläggningen till 5 000 varv / min i 30 s. Ställ in ett första steg med hjälp av spinnbeläggningen på ~ 2–3 s vid låg rotation (200–500 rpm). En tjocklek på 30 nm förväntas.
  4. Håll mikropipeten vinkelrät mot substratet (figur 1D), släpp lösningen (100 μl) i mitten av substratet (figur 1D) och starta spinnbeläggningen (figur 1E).
    OBS: Släpp inte lösningen för snabbt eller långsamt för att undvika risken för icke-homogen spridning av lösningen (beroende på viskositeten kan kontaktvinkeln vara icke-idealisk). Vanligtvis är det idealiskt att släppa lösningen i ~ 1 s. Rör inte substratet med mikropipetten och försök att synkronisera mellan att starta spinnbeläggningen och släppa lösningen. Om en tvåstegsinställning för deponering (som förklaras i steg 3.3) inte är tillgänglig, överväg en statisk avsättning: släpp lösningen först och starta sedan spinnbeläggningen omedelbart efter. Droppning av lösningen bör göras noggrant. Alla lösningar bör släppas i mitten av rotationsaxeln och bilda en enhetlig plats för att undvika ojämnheter under processen. Observera att även om dessa regler är idealiska för bra filmavsättning, är spinnbeläggningstekniken svår att optimera (dvs. kräver flera föroptimeringssteg). Dessutom beror det på lösningsviskositet, avsättning önskat område, hur lösningen tappas på substratet och början av snurrningen. Ett exempel på god filmbildning i mikroskopisk skala kan ses i figur 3 som en AFM-bild.
  5. Slutför spinnbeläggningssteget (figur 1F). Stäng av vakuumet och ta bort underlaget med en pincett. Med hjälp av liten bomullsknopp blöt i vatten (dvs PEDOT: PSS-lösningsmedlet; Figur 1G), ta bort den överflödiga avsatta filmen runt katoden och hörnområdena från substratet och håll det centrala pixelområdet orört.
  6. Förvara underlaget i en ugn eller på en värmeplatta vid 120 °C i 15 minuter för att ta bort PEDOT:PSS-lösningsmedlet (vatten). Ta ut ur ugnen eller kokplattan, flytta till en handskfack och låt svalna till RT (bild 1H).
  7. Förbered lösningen för EML. Bered i en ny ren injektionsflaska (se steg 1.1) med hjälp av en mikropipett en ny lösning bestående av 1,8 ml värdlösning och 0,2 ml TADF-lösning. Innan du använder lösningen, filtrera den med ett 0,1 μm PTFE-filter.
  8. Låt den nya lösningen vara omrörd i 15 minuter vid RT.
  9. Följ stegen 3.3–3.5, gör avsättningen av denna andra lösning i en spinnbeläggning i handskfacket. Snurra med 2 000 rpm i 60 s. Den förväntade filmtjockleken bör vara 50 nm. För att ta bort eventuellt överskott av den andra filmen, använd bomullspinnar som blötläggs i klorbensen.
  10. Låt underlaget ligga på en värmeplatta inuti handskfacket vid 70 °C i 30 minuter för att helt avlägsna överskottet av klorbensen.
  11. Ta bort underlagen från kokplattan och låt svalna till RT.
  12. För ytterligare försiktighetsåtgärder, överväga vissa temperatur/ tid (indirekt avdunstningshastighet) tester för olika lösningsmedel. Den slutliga filmens morfologi är starkt beroende av dessa parametrar. Ett enkelt AFM-test kan vara användbart för att bekräfta att lösningsmedelsindunstningshastigheten är tillräcklig. Den slutliga strukturen för de deponerade tunna filmerna bör vara mer eller mindre lik schemat i figur 1I.

4. Avdunstning av material

OBS: För bättre avdunstning är det minsta vakuum som krävs vanligtvis ett tryck lägre än 5 x 10-5 mbar. För alla organiska material bör avdunstningshastigheten hållas under 2 Å/s för att minska skiktens grovhet och enhetlighet. För LiF bör avdunstningshastigheten vara mindre än 0,2 Å/s. Underlåtenhet att följa detta kan leda till icke-enhetliga utsläpp. Om det inte redan är gjort, programmera det piezoelektriska sensorsystemet (som mäter avsättningstjockleken och avdunstningshastigheten) med de nödvändiga parametrarna, såsom 1) materialtäthet, 2) Z-faktor: en akustisk koppling av material till sensorn och 3) verktygsfaktor: geometrisk kalibrering av förångningsdegeln kontra provhållaren. Innan du använder förångaren, se utrustningsspecifikationerna för hur du utför sådana kalibreringar och konsultera materialdatabladet för densitets- och Z-faktorvärdena för ett specifikt material. När de är programmerade och utan någon förändring av förångningskammarens geometri (verktygsfaktor) kan data lagras för framtida användning med samma material.

  1. För in underlagen (filmer med framsidan nedåt och efter att steg 3.11 har slutförts) i provhållaren med önskad indunstningsmask (figur 4A).
  2. Inkludera de nödvändiga deglar (geometrin beror på det specifika förångarsystemet) och fyll var och en med nödvändiga material (LiF, TmPyPb och Al). En detaljerad förklaring av den termiska avdunstningsprocessen i OLED-utvecklingen finns i litteraturen43 och diskuteras vidare i denna rapport.
  3. Placera substrathållaren med prover i förångarens provhållare (figur 4B). Stäng kammaren och pumpa ner förångarkammaren. Följ respektive instruktioner för förångarsystemet.
  4. Indunsta en film av TmPyPb med en tjocklek av 40 nm. Indunsta 2 nm LiF och 100 nm Al, sekventiellt. För avdunstningen, följ den publicerade proceduren43.
    OBS: Den slutliga strukturen representeras i figur 4C. I det nuvarande arbetet är enheter inte inkapslade. För långsiktiga experiment bör inkapsling utföras, vilket inte är fokus här.

5. Karakterisering av enheten

OBS: För att karakterisera den slutliga enheten, använd en mycket känslig spänningsmätare, luminansmätare och spektrometer. Om det finns en integrerande sfär, använd den. Annars placerar du luminansmätaren vinkelrätt mot OLED-ytemissionen på ett avstånd som anges av tillverkaren och beroende på fokuslinsen. Om man inte använder en integrerande sfär kan det antas att OLED-enhetens utsläpp följer en Lambertian-profil för effektivitetsberäkningen. Här motsvarar den plottade ljusstyrkan inte den uppmätta under en integrerande sfär (således blir den minst π gånger mindre).

  1. Sätt i den tillverkade OLED-enheten i testhållaren och gör de elektriska kontakterna för önskad pixel. Mät strömmen (I), applicerad spänning (V) och ljusstyrkan (L). Fullständig information om den experimentella installationen har förklarats tidigare43.
  2. Med en spektrometer mäter du elektroluminescensspektra (EL) vid olika applicerade spänningar i ett område som motsvarar det dynamiska området för OLED-operationen44. Ta minst tre till fyra spektra. Här används applicerade spänningar på 5 V, 10 V och 15 V.
  3. Använd nödvändig programvara för att beräkna strömtätheten (J), strömeffektiviteten (μc candela / Ampere), energieffektiviteten (ηp, lumen / Watt) och extern effektivitet (EQE). Med elektroluminescensspektra bestämmer du CIE-färgkoordinaterna. Lämplig information om hur man beräknar alla dessa meritvärden har beskrivits tidigare44.
  4. Plotta de angivna uppgifterna. Utför en kritisk analys av resultaten när det gäller effektivitet och ljusstyrka. Se elektroluminescensspektra och försök att skapa en modell för att förstå resultaten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 5 visar de viktigaste resultaten för den tillverkade enheten. Påslagningsspänningen var extremt låg (~ 3 V), vilket är ett intressant resultat för en enhet med två organiska lager. Den maximala ljusstyrkan var cirka 8 000 cd/m2 utan att använda en integrerande sfär. Maxvärdena för ηc, ηp och EQE var cirka 16 cd/A, 10 lm/W respektive 8 %. Även om resultaten inte är de bästa meritsiffrorna för denna TADF-emitter, var de de bäst förekommande i en så enkel enhetsstruktur med denna emitter via lösningsprocessen.

En maximal EQE på 14.9% rapporterades i en femskikts termiskt förångad OLED för samma emitter42. Viktigt var att det observerades att EQE visade ett relativt lågt roll-off-beteende (nära 7,5% för L = 100 cd / m 2 och ~ 6% för L = 1000 cd / m2), och sådana roll-off-värden är de bästa som uppnåtts för denna specifika TADF-emitter42. Detta innebär att konceptet som används för att modulera EML: s elektriska egenskaper med hjälp av lösningsavsättning verkar vara effektivt giltigt. Viss nedbrytning observerades för applicerade spänningar högre än 15 V, vilket motsvarar den välkända brytningen av kemiska bindningar på grund av en hög elektrisk bärartäthet.

Förklaringen av dessa resultat är intressant. Efter de koncept och analyser som beskrivs i inledningen erhölls en elektriskt balanserad och effektiv anordning, trots den enkla strukturen. Med kompositionen i EML beräknades modulering av den elektriska rörligheten för att erhålla en bärarprofil som var tillräcklig för bästa möjliga excitonrekombination. Två enkla anordningar av n-typ eller p-typ framställdes enligt ett publicerat förfarande45, och mobiliteterna för det aktiva skiktet var μn = 6,27 x 10-8 cm 2 V-1 s-1 och μp = 4,76 x 10-7 cm 2 V-1 s-1.

Med lösningsavsättning kan en enkel elektriskt balanserad anordning uppnås, eftersom EML: s elektriska egenskaper kan moduleras från korrekta justeringar och inställning av deponeringsparametrarna. Beroende på vilka sändare som ska testas kan detta koncept enkelt anpassas för vidareutveckling av lösningsbehandlade OLED.

Figure 1
Bild 1: Protokollschema. De använda mönstrade underlagen med ITO-remsorna. I varje substrat producerades sex OLED med individuella ytor på 4 mm2 . Ett enkelt schema över deponeringsprocessen med spinnbeläggningstekniken visas. Huvudområdet för den deponerade filmen visar de regioner som ska rengöras så att de elektriska kontakterna kan placeras exakt när de förångas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Typisk kalibreringskurva för spinnbeläggning. I detta fall och för det aktiva skiktet används en fast tid på 60 s. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: AFM-bild av PVK:OXD-7:2PXZ-OXD (10% vikt) 50 nm tunnfilm från klorbensenlösning. Filmen deponerades med hjälp av spinnbeläggning enligt beskrivningen i protokollet. RMS-värdet är bara 0,309 nm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Avdunstningsschema. (A) Förångningsmask som justeras ovanpå de deponerade filmerna. Vanligtvis är de fördesignade för specifika stöd. B) Schematisk bild av avdunstningskammaren med olika deglar. Typ, antal och plats beror på den specifika utrustningen. Sensorerna för tjockleksmätningar placeras nära deglarna. På toppen rymmer provhållaren substrathållaren med masker. (C) Slutliga scheman (och typisk fotografering) för den producerade OLED. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Huvudsiffror för de producerade gröna OLED-bilarna. (A) Den vanliga strömtätheten (J), applicerad spänning (V) och ljusstyrkan (L). (B) Ström- och energieffektivitet som en funktion av strömtätheten. (C) EQE som en funktion av ljusstyrkan för att utvärdera avrullningen. (D) Elektroluminescensspektra vid 10 V (inklusive bilden av OLED). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollet som används här för att tillverka en effektiv OLED i en enkel enhetsstruktur är relativt enkelt. Den elektriska rörligheten moduleras inte bara av materialkompositionen hos ett enhetsskikt utan beror också kritiskt på filmmorfologi. Beredning av lösningarna och ett lämpligt val av lösningsmedel och koncentration är viktiga. Ingen materialaggregering kan ske, vilket innebär fullständig löslighet på nanometrisk skala. Det är också viktigt att observera viskositeten hos lösningen. En hög viskositet leder till en hög kontaktvinkel för lösningen på substratet, och det motsatta är också möjligt. I båda fallen kan en ickehomogen film bildas genom spinnbeläggning. Dessutom bör man undvika att starta rotationen av spinnbeläggningen innan lösningen släpps. Slutligen är ett automatiskt system för att släppa lösningen i spinnbeläggningen ett alternativ, vilket är fördelaktigt för bra tunnfilmsavsättning. Annars är det nödvändigt att garantera att mikropipetten förblir så vinkelrätt som möjligt (relaterat till substrat) när lösningen släpps. Dessutom måste den tas bort omedelbart när all lösning tappas för att undvika extra små droppar när spinnbeläggningen startar.

Som nämnts i inledningen kan inte alla material enkelt deponeras med hjälp av lösningsprocessen. Lyckligtvis kan de flesta enheter tillverkas med hjälp av protokollet som beskrivs här. Ytterligare förbättring av meritsiffrorna kan uppnås, vilket är starkt beroende av god filmbildning (även vid molekylär staplingsskala). De övergripande elektriska egenskaperna beror på detta. Förutom metodens enkelhet är den absoluta reproducerbarheten hos enheten med spinnbeläggningsmetoder nästan 50% på grund av mänskliga fel. Det kan inte heller användas för substrat med stort område.

Slutligen kan alla steg som beskrivs i protokollet ses som det gemensamma ramverket för att producera stabila, effektiva och enkla OLED. Med tanke på trenden mot tryckt elektronik är detta arbete av stor betydelse för framtida applikationer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill uppmärksamma "EXCILIGHT"-projektet från Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horizon 2020 enligt Marie Sklodowska-Curie-bidragsavtalet nr 674990. Detta arbete utvecklades också inom ramen för projektet i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, finansierat av nationella medel genom 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

Engineering utgåva 189 OLED lösningsdeponerade enheter meritfördelning organisk elektronikteknik termiskt aktiverad fördröjd fluorescens lågkomplex enhetsstruktur enkel OLED-tillverkningsprocess
Utveckling av effektiva OLED från lösningsdeposition
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