Fremstilling af White Light-emitting elektrokemiske celler med Stable 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 fremlægge en fremgangsmåde til fremstilling stabil hvid lysemission fra polymer lysemitterende elektrokemiske celler (PLECs) med et aktivt lag, som består af blå-fluorescerende poly (9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) ( PFD) og π-konjugerede triphenylamin molekyler. Denne hvide lys emission stammer fra exciplexes dannet mellem PFD og aminer i elektronisk exciterede tilstande. En indretning indeholdende PFD, 4,4 ', 4' '- tris [2-naphthyl (phenyl) amino] triphenylamin (2-TNATA), poly (ethylenoxid) og K 2 CF3 SO 3 viste hvidt lysemission med Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) koordinater (0,33, 0,43) og et farvegengivelsesindeks (CRI) på Ra = 73 ved en påtrykt spænding på 3,5 V. konstant spænding målinger viste, at CIE koordinater (0,27, 0,37), Ra af 67, og farven emission observeret umiddelbart efter påføring af en spænding på 5 V var næsten uændret og stabil efter300 sek.

Protocol

1. Udarbejdelse af aktive lag Solutions

  1. Aktive lag løsning for de amin-doteret PFD enheder
    BEMÆRK: PFD, 4,4 ', 4' '- tris [2-naphthyl (phenyl) amino] triphenylamin (2-TNATA), 9,9-dimethyl-N, N' di (1-naphthyl) - N , N 'diphenyl-9H-fluoren-2,7-diamin (DMFL-NPB), poly (ethylenoxid) (PEO), blev anvendt som modtaget. Kalium trifluormethansulfonat (K 2 CF3 SO 3) blev tørret under vakuum ved 200 ° C i 1 time før brug.
    1. For anordninger med en PFD: amin-forhold på 1: 0,25, opløses 10 mg af PFD og 2,5 mg af den aromatiske amin i 1 ml chloroform og omrøres i 1 time ved 40 ° C. For dem, der har en PFD: amin-forhold på 1: 1, anvendes 10 mg af aromatisk amin.
    2. Separat opløses 10 mg PEO i 1 ml cyclohexanon og omrør i 1 time ved 60 ° C, og opløs 2,5 mg kalium trifluormethansulfonat (KCF 3 SO 3) i 1ml cyklohexanon og omrør i 1 time ved 40 ° C.
    3. Tilsættes 0,78 ml af PEO-opløsning og 0,147 ml af KCF 3 SO 3 løsning på PFD opløsning under anvendelse af mikropipetter. Omrør den blandede opløsning i 4 timer ved 40 ° C.
    4. Filtrer den blandede opløsning under anvendelse af et membranfilter før spincoating.
  2. Aktivt lag løsning for ikke-doteret PFD enhed
    1. For ikke-doteret PFD enhed, opløses 10 mg PFD i 1 ml chloroform og omrøres i 1 time ved 40 ° C. De trin, der følger, er de samme som tidligere beskrevet for amin dopede PFDs i 1.1.2 - 1.1.4.

2. Fabrikation af LEC Devices

BEMÆRK: fremstillingsproces LEC enheder er opsummeret i figur 1.

  1. Ultralyd ren mønstret indium-tinoxid (ITO) glassubstrater med fortyndet detergent, efterfulgt af ioniseret vand, acetone og 2-propanol ved anvendelse af etdesktop ultralydsbad (38 kHz) i 3 min for hvert trin. Endelig fjerne opløsningsmidlet under anvendelse af en N2-blæser.
  2. Behandl substraterne med UV / O 3 i 3 minutter under anvendelse af en UV / O 3 behandling ifølge producentens protokol. Udfør det aktive lag coatingprocessen under en inert atmosfære i en handskekasse.
  3. Sæt et rengjort underlag på hovedet af et spin coater. Dispensere omkring 100 pi af det aktive lag løsning med en mikropipette. Spin underlaget som følger: 800 rpm i 60 sek, øge hastigheden til 1000 rpm i 3 sek, derefter rotere med 1000 rpm i 10 sek. Den aktive lagtykkelse vil være omkring 150 nm.
  4. Tør de coatede substrater i handskerummet natten over.
  5. Tør overskydende polymer for at sikre en ordentlig elektrode forbindelse og indkapsling.
  6. Placer substraterne på en fordampning holder til aflejring af aluminium. Læg holderen i fordampning kammer, og termisk deponere et 100 nm lag af aluminiumved en fordampning på 0,4 nm / sek gennem en rustfri stål fordampning maske, som har 3 mm brede åbninger til aflejring af aluminium modelektroder.
  7. Når aflejring er færdig, overføre enheder til en handskerummet under en inaktiv atmosfære. Påfør en vulst af UV hærdbar epoxyharpiks i form af et rektangel ved anvendelse af en dispenser. Placer et dækglas (15 mm x 12 mm x 0,7 mm tykt) på harpiksen for at indkapsle indretningen (se figur 1).
  8. Hærde harpiksen ved anvendelse af UV-stråling (kumulativ dosis: 6.000 mJ / cm2, bølgelængde: 365 nm) fra en UV-LED lyskilde.

3. Karakterisering

  1. JVL målinger
    BEMÆRK: strømtæthed (J) -voltage (V) -luminance (L) (JVL) egenskaber og Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) koordinater blev målt ved hjælp af en spektral fotodetektor udstyret med en DC-spænding aktuelle kilde monitor. Målesystemet kontrolleres af enPC med en brugerdefineret kontrol software til dataopsamling. Systemet blev kalibreret følgende producentens protokol og målinger blev udført i mørke under en sort gardin.
    1. Tilslut terminalerne til kontakterne i enheden med krokodillenæb. Placer enheden på målingen scenen.
    2. Kør kontrol software til dataopsamling. Systemet styrer den påførte spænding og strøm over tid og indsamler emissionsspektrene spektrometret gennem en optisk fiber.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den elektroluminescens (EL) spektre blev anvendt til at beregne CIE koordinater og CRI-værdier (figur 2, 4, 5). Fotografiske billeder af emitterende indretninger blev opsamlet for at verificere hvidhed af emissionen (figur 3).

EL spektre af aminen doteret PFD enheder og ikke-doteret PFD anordning er vist i figur 2. Den ikke-doteret PFD enhed viste blå emission, der svarer til PFD exciton emission. I mellemtiden er den 2-TNATA og DMFL-NPB doteret enheder viste længere bølgelængde emissioner i forhold til den ikke-doteret PFD-enheden. Emissionerne fra de amin dopede enheder stammede fra exciplexes dannet mellem PFD og aminer i elektronisk exciterede tilstande.

Den 2-TNATA og DMFL-NPB doteret enheder viste hvidt lys emission som ses i farven FOTO pH-værdier på den emitterende anordninger (figur 3). Ændringerne i CIE koordinater af aminen doterede enheder (doping forhold af PFD: amin = 1: 0,25 og 1: 1). Er vist i figur 4 2-TNATA doteret indretning (PFD: 2-TNATA = 1: 0,25) viste CIE koordinater (0,33, 0,43) og en Farvegengivelse (CRI) på Ra = 73 ved V turn-on = 3,5 V (V turn-on er defineret som den spænding der kræves for at producere en luminans på over 1 cd / cm 2 under en spænding feje måling) og DMFL-NPB doteret enhed med samme forhold af PFD: DMFL-NPB (1: 0,25) viste CIE koordinater x = 0,23, y = 0,33, og en CRI på Ra = 54 ved V turn-on = 3,5 V. emissionen farve DMFL-NPB doteret enhed var svagt blå forskudt i forhold til den for 2-TNATA doteret enhed. Dette skyldes en forskel i exciplex danner evner aminer med PFD, med 2-TNATA med en større evne til at danne exciplexes end DMFL-NPB. 15

Indholdsproduktion "fo: holde-together.within-side =" 1 "> Figur 5 viser udviklingen i strømtæthed, luminans og CIE koordinater af 2-TNATA doteret enhed, når en konstant spænding på 5 V blev påført Umiddelbart efter påføring af. spænding, indretningen viste CIE koordinater (0,27, 0,37) og en Ra på 67 og emission farve var næsten uændret og stabil efter 300 sek.

figur 1
Figur 1. Fabrikation proces med LEC-enhed. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. EL emissionsspektre af PLECs, 2-TNATA doteret, DMFL-NPB doteret og ikke-doterede enheder.e.jove.com/files/ftp_upload/54628/54628fig2large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Fotografi af lysudsendelse fra amin dopede enheder Doping forholdet PFD:. Amin = 1:.. 1 a) 2-TNATA doteret enhed b) DMFL-NPB doteret enhed (skala søjler:. 5 mm) Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Ændringer i CIE koordinater af 2-TNATA og DMFL-NPD doteret enheder med stigende spænding a) Enheder med doping forholdet PFD:. Amin = 1:. 1 b) </ strong> Enheder med doping-forhold på PFD: amin = 1:. 0,25 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Tidsmæssig udvikling af a) CIE koordinater, luminans og strøm, og b) effektivitet, luminans, og strøm for 2-TNATA doteret PLECs. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

LEC har et aktivt lag indeholdende hydrofob PFD og aromatiske aminer, og hydrofile polyethylenoxid og KCF 3 SO 3. Fordi disse materialer har meget forskellige opløseligheder, omhyggelig forberedelse af spin coatingopløsningen er kritisk for at undgå ufuldstændige solvatisering. Hver skal først opløst separat og fuldstændigt i opløsningsmidler med tilstrækkelig opløsende evne, så opløsningerne blandes sammen til dannelse af en ensartet blanding. Balancere exciton og exciplex emissioner er nøglen til at opnå hvide emission. Derfor skal mængden af ​​PFD og aminer måles præcist.

I LEC er det også vigtigt at kontrollere faseadskillelse morfologi af det aktive lag. Forfatterne forsøgte ved hjælp af andre ion ledende polymerer, såsom trimethylolpropan ethoxylat (TMPE-OH) 16 i stedet for PEO, men enheden fremstillet med TMPE-OH ikke fungere som LEC. De hydrofobe materialer (PFD og aromatiskaminer) og den hydrofile polymer elektrolyt tendens til fase-adskilt, hvilket betyder, at materialer skal vælges med omhu.

UV-lys, der anvendes til at hærde harpiksen kan beskadige det aktive lag materiale. Derfor er UV-lys skinnede fra aluminium deponerede side gennem et glas dække for at undgå unødvendig eksponering.

Sammenlignet med fremgangsmåder, hvor flere lysende materialer anvendes, 10-14 den ovenfor beskrevne fremgangsmåde har der kan opnås en stor fordel i, at hvidt lysemission gennem kun tilsætning af simple forbindelser, såsom aromatiske aminer. Til at producere høj CRI hvidt lys, vil det være nødvendigt at opnå bredere band emissioner med et spektrum tættere på sollys. Fordi exciplexes generelt producerer bredbånd emissioner, finde bedre kombinationer af blå lysende polymerer og aminer skulle gøre det muligt at opnå disse højere CRIS.

Figur 5 viser tid evolution af luminans, strømtæthed, CIE koordinater og effektiviteten ved 2-TNATA-doteret LEC påført ved en konstant spænding på 5 V. Fig 4b viser den typiske opførsel af et LEC, såsom øget luminans og strømtæthed og ændringer i effektiviteten under de første 30 sekunder af drift.

Forfatterne har således vist, at proceduren fabrikation for PLECs med hvidt lys emission udnytte exciplex udledes fra PFD og aminer. Forfatterne har også vist stabiliteten af ​​dette hvide lysemission, en egenskab, der er særlig vigtig for store område belysning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Dette arbejde blev delvist støttet af en Grant-in-Støtte til videnskabelig forskning (nr 24.225.003). Dette arbejde blev støttet økonomisk af 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