Fabrikasjon av White Light-Emitting elektrokjemiske celler med Stabil Emission fra Exciplexes

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Uchida, S., Takizawa, D., Ikeda, S., Takeuchi, H., Nishimura, S., Nishide, H., Nishikitani, Y. Fabrication of White Light-emitting Electrochemical Cells with Stable Emission from Exciplexes. J. Vis. Exp. (117), e54628, doi:10.3791/54628 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Forfatterne presenterer en metode for fremstilling av stabilt hvitt lys utslipp fra polymer lys-emitterende elektrokjemiske celler (PLECs) som har et aktivt lag som består av blå-fluorescerende poly (9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) ( PFD) og π-konjugerte Triphenylamine molekyler. Denne hvite lys utslipp stammer fra exciplexes dannet mellom PFD og aminer i elektronisk eksiterte tilstander. En enhet som inneholder PFD, 4,4 ', 4' '- tris [2-naftyl (fenyl) amino] Triphenylamine (2-TNATA), poly (etylenoksyd) og K-2-CF3 SO 3 viste hvite lysemisjon med Commission Inter de l'eclairage (CIE) koordinatene (0,33, 0,43) og en Color Rendering Index (CRI) Ra = 73 ved en påtrykt spenning på 3,5 V. Constant spenningsmålinger viste at CIE koordinatene (0,27, 0,37), Ra av 67, og utslipps farge observeres umiddelbart etter påføring av en spenning på 5 V var nesten uforandret og stabil etter300 sek.

Protocol

1. Utarbeidelse av aktive laget Solutions

  1. Aktive laget løsning for amin-dopet PFD enheter
    MERK: PFD, 4,4 ', 4' '- tris [2-naftyl (fenyl) amino] Triphenylamine (2-TNATA), 9,9-dimetyl-N, N'-di (1-naftyl) - N , N '-difenyl-9H-fluoren-2,7-diamin (DMFL-NPB), poly (etylenoksid) (PEO), ble benyttet som mottatt. Den kalium-trifluormetansulfonat (K 2 CF 3 SO 3) ble tørket under vakuum ved 200 ° C i 1 time før bruk.
    1. For de anordninger som har en PFD: amin-forhold på 1: 0,25, oppløse 10 mg av PFD og 2,5 mg av det aromatiske aminet i 1 ml kloroform og omrør i 1 time ved 40 ° C. For de som har en PFD: amin-forhold på 1: 1 ved å bruke 10 mg av det aromatiske amin.
    2. Separat oppløses 10 mg av PEO i 1 ml cykloheksanon og omrør i 1 time ved 60 ° C, og oppløse 2,5 mg kalium-trifluormetansulfonat (KCF 3 SO 3) i ettml cykloheksanon og omrør i 1 time ved 40 ° C.
    3. Legg 0,78 ml av PEO-løsning og 0,147 ml av det KCF 3 SO 3-løsning for å PFD løsning ved hjelp av mikropipetter. Omrør den blandede oppløsningen i 4 timer ved 40 ° C.
    4. Filtrer den blandede oppløsningen ved hjelp av et membranfilter før spinne belegg.
  2. Aktivt lag løsning for undoped PFD enheten
    1. For det udopede PFD-enhet, oppløses 10 mg av PFD i 1 ml kloroform og omrør i 1 time ved 40 ° C. Trinnene som følger er de samme som de som er beskrevet tidligere for de amin-dopet PFDer i 1.1.2 - 1.1.4.

2. Fabrikasjon av LEC-enheter

MERK: Fabrikasjon fremgangs LEC innretninger er oppsummert i figur 1.

  1. Ultrasonisk rene mønstret indium-tinnoksid (ITO) glass-substrater med fortynnet vaskemiddel, etterfulgt av ionisert vann, aceton og 2-propanol ved hjelp av enbordet ultrasonisk bad (38 kHz) i 3 minutter for hvert trinn. Til slutt, fjerne oppløsningsmiddelet ved hjelp av en N 2 blåser.
  2. Behandle substrater med UV / O 3 i 3 minutter ved bruk av et UV / O 3 behandlingsenheten i henhold til produsentens protokoll. Utføre det aktive laget belegningsprosessen under en inert atmosfære i en hanskeboks.
  3. Sett en rengjort underlag på hodet av en spin coater. Tilsett rundt 100 mL av det aktive laget løsning ved hjelp av en mikropipette. Spinn substratet som følger: 800 opm i 60 sek, øker hastigheten til 1000 rpm i løpet av 3 sekunder, og deretter rotere ved 1000 opm i 10 sek. Det aktive laget tykkelse vil være rundt 150 nm.
  4. Tørk av de belagte substrater i hanskerommet over natten.
  5. Tørk av overflødig polymer for å sikre en riktig elektrode tilkobling og innkapsling.
  6. Plasser substratene på en fordampning holder for avsetning av aluminium. Installering av holderen i fordampningskammeret, og termisk avsette et 100 nm lag av aluminiumved en fordampning hastighet på 0,4 nm / sek gjennom en rustfri stål fordampning maske, som har 3 mm brede åpninger for avsetning av aluminium motelektroder.
  7. Når deponering er fullført, overføre enheter til en hanskeboks under en inert atmosfære. Anvende en perle av UV-herdbar epoksyharpiks i form av et rektangel ved hjelp av en dispenser. Plassere et dekkglass (15 mm x 12 mm x 0,7 mm tykt) på harpiksen for å innkapsle innretningen (se figur 1).
  8. Herde harpiksen ved hjelp av UV-stråling (kumulativ dose: 6000 mJ / cm 2, bølgelengde: 365 nm) fra en UV-LED lyskilde.

3. Karakterisering

  1. JVL målinger
    MERK: Strømtettheten (J) høyspentvikling (V) -luminance (L) (JVL) egenskaper og Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) koordinatene ble målt ved hjelp av en spektral fotodetektor utstyrt med en DC spenning strømkilde monitor. Målesystemet styres av enPC med en egendefinert kontroll programvare for datainnsamling. Systemet ble kalibrert følgende produsentens protokoll og målinger ble utført i mørket under en svart gardin.
    1. Koble terminalene til kontaktene på enheten med krokodilleklemmer. Plasser enheten på målingen scenen.
    2. Kjør kontroll programvare for datainnsamling. Systemet styrer den påtrykte spenningen og strømmen over tid og samler emisjonsspektra ved spektrometeret gjennom en optisk fiber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den elektroluminescens (EL) spektra ble brukt for å beregne CIE-koordinatene og SFI-verdiene (figurene 2, 4, 5). Fotografiske bilder av teknisk utstyr ble oppsamlet for å bekrefte hvithet av utslipp (figur 3).

EL-spektrene av de amin-dopet PFD enheter og udopet PFD-enheten er vist i figur 2. De udopede PFD-enheten viste blå emisjon som svarer til PFD exciton utslipp. Samtidig ble 2-TNATA og DMFL-NPB dopede enheter viste utslipp lengre bølgelengde i forhold til udopet PFD-enheten. Utslippene fra amin dopet enhetene stammer fra exciplexes dannet mellom PFD og aminer i elektronisk eksiterte tilstander.

Den 2-TNATA og DMFL-NPB dopet enheter viste hvitt lys utslipp sett i fargen FOTO PHS av teknisk utstyr (figur 3). Endringene i CIE-koordinatene til de amin dopede enheter (dope forhold av PFD: amin = 1: 0,25 og 1: 1). Er vist i figur 4 for to-TNATA dopet anordningen (PFD: 2-TNATA = 1: 0,25) viste CIE koordinatene (0,33, 0,43) og en indeks fargegjengivelse (CRI) Ra = 73 på V turn-on = 3,5 V (V turn-on er definert som spenningen som kreves for å produsere en luminans på over en cd / cm 2 under en spenning feie måling) og DMFL-NPB dopet enhet med samme forholdet av PFD: DMFL-NPB (1: 0,25) viste CIE koordinatene x = 0,23, y = 0,33, og en CRI på Ra = 54 på V turn-on = 3,5 V. den utslipps fargen på DMFL-NPB dopet enheten var svakt blå forskjøvet i forhold til den av 2-TNATA dopet enhet. Dette skyldes en forskjell i den exciplex dannende evner av aminer med den PFD, med 2-TNATA har en større evne til å danne exciplexes enn DMFL-NPB. 15

ontent "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 5 viser endringene i strømtetthet, lysstyrke og CIE koordinatene til to-TNATA dopet enheten når en konstant spenning på 5 V ble påført Umiddelbart etter påføring av. spenning, viste enheten CIE koordinatene (0,27, 0,37) og en Ra på 67, og utslipp fargen var tilnærmet uendret og stabil etter 300 sek.

Figur 1
Figur 1. Fabrikasjon prosessen med LMU enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. EL emisjonsspektra av PLECs, 2-TNATA dopet, DMFL-NPB dopede og udopede enheter.e.jove.com/files/ftp_upload/54628/54628fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Fotografi av lys utslipp fra amin dopet enheter Doping forhold på PFD. Amin = 1:.. 1 a) 2-TNATA dopet enhet b) DMFL-NPB dopet enhet (skala barer. 5 mm) Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Endringer i CIE-koordinatene til 2-TNATA og den DMFL-NPD dopede enheter med økende spenning a) enheter med doping forhold på PFD.: Amin = 1:. 1 b) </ strong> Enheter med doping forhold på PFD: amin = 1:. 0,25 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Temporal utviklingen av a) CIE koordinater, lysstyrke og strøm, og b) effekt, luminans, og strøm for 2-TNATA dopet PLECs. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

LMU har en aktiv lag som inneholder hydrofobe PFD og aromatiske aminer, og hydrofil polyetylenoksid og KCF 3 SO 3. Fordi disse materialene har svært ulike oppløseligheter, er imidlertid fremstillingen av spinnbeleggløsningen avgjørende for å unngå ufullstendig solvatering. Hver må først oppløses separat og helt i løsningsmidler med tilstrekkelig solvatiserende evne, så at løsningene blandes sammen for å danne en ensartet blanding. Balansere exciton og exciplex utslipp er nøkkelen til å oppnå hvite utslipp. Derfor må de mengder av PFD og aminer måles nøyaktig.

I LMU er det også viktig å kontrollere faseseparasjon morfologi av det aktive laget. Forfatterne prøvd å bruke andre ion gjennomføre polymerer som trimetylpropanetoksylat (TMPE-OH) 16 i stedet for PEO, men enheten fabrikkert med TMPE-OH ikke fungere som en LEC. De hydrofobe materialer (PFD og aromatiskaminer), og den hydrofile polymer elektrolytt har en tendens til å fase atskilt, noe som betyr at materialene må velges nøye.

UV-lys brukes til å kurere harpiksen kan skade det aktive laget materiale. Derfor er den UV-lyset stråle fra aluminiumet avsettes side gjennom et glassdeksel for å unngå unødvendig eksponering.

Sammenlignet med fremgangsmåter hvor flere lysemitterende materialer som er brukt, 10-14 fremgangsmåten beskrevet ovenfor, har en stor fordel i at hvitt lys utslipp kan oppnås ved bare tilsetning av enkle forbindelser slik som aromatiske aminer. For å produsere høy CRI hvitt lys, vil det være nødvendig for å oppnå bredere bånd utslipp med et spektrum nærmere sollys. Fordi exciplexes generelt produsere bredbånd utslipp, finne bedre kombinasjoner av blått lys-utslipp polymerer og aminer bør gjøre det mulig å oppnå disse høyere SFI.

Figur 5 viser tid evolution av luminans, strømtetthet, CIE-koordinatene og effekt av den 2-TNATA-dopet LEC påført ved en konstant spenning på 5 V. Figur 4b viser det typiske virkemåten til en LEC, som for eksempel økt lysstyrke og strømtetthet og forandringer i effekt i løpet av de første 30 sekundene av drift.

Forfatterne har derfor vist fabrikasjon prosedyre for PLECs med hvitt lys utslipp utnytte exciplex utslipp som stammer fra PFD og aminer. Forfatterne har også vist at stabiliteten av denne hvite lysemisjon, en egenskap som er særlig viktig for store område belysning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble delvis støttet av en Grant-in-Aid for Scientific Research (nr 24225003). Dette arbeidet ble støttet økonomisk av JX Nippon Oil & Energy Corporation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) Aldrich 571660
4,4’,4’’-Tris[2-naphthyl(phenyl)amino] triphenylamine (2-TNATA) Aldrich 768669
9,9-Dimethyl-N,N’-di(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl-9H-fluorene-2,7-diamine (DMFL-NPB) Aldrich
Poly(ethylene oxide) (PEO) Aldrich 182028
Potassium tirifluoromethansulfonate (KCF3SO3) Aldrich 422843 dried under vacuum at 200 °C for 2 hr prior to use
Chloroform Kanto Chemical Co. 08097-25 dehydrated
Cyclohexanone Kanto Chemical Co. 07555-00
SCAT 20-X (detergent) Daiichi Kogyo Seiyaku diluted with water
Acetone Kanto Chemical Co. 01866-25 Electronic grage
2-propanol Kanto Chemical Co. 32439-75 Electronic grage
13 mm GD/X Disposable Filter Device PVDF Filter Media, Polypropylene Housing Whatman 6872-1304
UV/O3 Treating Unit SEN Lights Co. SSP16-110
Spectral Photo Detector Otsuka Electronics MCPD 9800
Voltage Current Source Monitor ADCMT 6241A
Evaporation Mask Tokyo Process Service Co., Ltd. NA The evaporation mask was wet-etched to create openings for patterned deposition of aluminum. The size of the mask is 100 mm x 100 mm x 0.2 mm-thick.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pei, Q., Yu, G., Zhang, C., Yang, Y., Heeger, A. J. Polymer light-emitting electrochemical cells. Science. 269, (5227), 1086-1088 (1995).
  2. Sun, Q., Li, Y., Pei, Q. Polymer light-emitting electrochemical cells for high-efficiency low-voltage electroluminescent devices. J. Disp. Technol. 3, (2), 211-224 (2007).
  3. Meier, S. B., et al. Light-emitting electrochemical cells: recent progress and future prospects. Mater. Today. 17, (5), 217-223 (2014).
  4. Edman, L., et al. Single-component light-emitting electrochemical cell fabricated from cationic polyfluorene: Effect of film morphology on device performance. J. Appl. Phys. 98, (4), 044502 (2005).
  5. Fang, J., Matyba, P., Edman, L. The Design and Realization of Flexible, Long-Lived Light-Emitting Electrochemical Cells. Adv. Funct. Mater. 19, (16), 2671-2676 (2009).
  6. Yu, Z., et al. Stabilizing the Dynamic p− i− n Junction in Polymer Light-Emitting Electrochemical Cells. J. Phys. Chem. Lett. 2, (5), 367-372 (2011).
  7. Sandström, A., Dam, H. F., Krebs, F. C., Edman, L. Ambient fabrication of flexible and large-area organic light-emitting devices using slot-die coating. Nat. Commun. 3, 1002 (2012).
  8. Liang, J., Li, L., Niu, X., Yu, Z., Pei, Q. Elastomeric polymer light-emitting devices and displays. Nat. Photonics. 7, (10), 817-824 (2013).
  9. Yang, Y., Pei, Q. Efficient blue-green and white light-emitting electrochemical cells based on poly 9, 9-bis (3, 6-dioxaheptyl)-fluorene-2, 7-diyl. J. Appl. Phys. 81, (7), 3294-3298 (1997).
  10. Tang, S., Buchholz, H. A., Edman, L. White Light from a Light-Emitting Electrochemical Cell: Controlling the Energy-Transfer in a Conjugated Polymer/Triplet-Emitter Blend. ACS Appl. Mater. Iterfaces. 7, (46), 25955-25960 (2015).
  11. Nishikitani, Y., Takizawa, D., Nishide, H., Uchida, S., Nishimura, S. White Polymer Light-Emitting Electrochemical Cells Fabricated Using Energy Donor and Acceptor Fluorescent π-Conjugated Polymers Based on Concepts of Band-Structure Engineering. J. Phys. Chem. C. 119, (52), 28701-28710 (2015).
  12. Sun, M., Zhong, C., Li, F., Cao, Y., Pei, Q. A Fluorene− Oxadiazole Copolymer for White Light-Emitting Electrochemical Cells. Macromolecules. 43, (4), 1714-1718 (2010).
  13. Tang, S., Pan, J., Buchholz, H., Edman, L. White Light-Emitting Electrochemical Cell. ACS Appl. Mater. Interfaces. 3, (9), 3384-3388 (2011).
  14. Tang, S., Pan, J., Buchholz, H. A., Edman, L. White light from a single-emitter light-emitting electrochemical cell. J. Am. Chem. Soc. 135, (9), 3647-3652 (2013).
  15. Nishikitani, Y., et al. White polymer light-emitting electrochemical cells using emission from exciplexes with long intermolecular distances formed between polyfluorene and π-conjugated amine molecules. J. Appl. Phys. 118, (22), 225501 (2015).
  16. Tang, S., Mindemark, J., Araujo, C. M. G., Brandell, D., Edman, L. Identifying Key Properties of Electrolytes for Light-Emitting Electrochemical Cells. Chem. Mater. 26, (17), 5083-5088 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics