In questo articolo, descriviamo elettrochimica, risonanza paramagnetica elettronica e ultravioletto-visibile e vicino infrarosso Spettroelettrochimica metodi per analizzare composti organici per applicazioni in elettronica organica.
Voltammetria ciclica (CV) è una tecnica utilizzata nell’analisi di composti organici. Quando questa tecnica è combinata con risonanza paramagnetica elettronica (EPR) o ultravioletto-visibile e vicino infrarosso spettroscopie (UV-Vis-NIR), otteniamo informazioni utili come affinità dell’elettrone, potenziale di ionizzazione, energie di spacco della fascia, il tipo di elementi portanti della carica e informazioni di degrado che possono essere utilizzati per sintetizzare dispositivi elettronici organici stabili. In questo studio, presentiamo elettrochimica e Spettroelettrochimica metodi per analizzare i processi che avvengono in strati attivi di un dispositivo organico così come elementi portanti della carica generata.
In tutto il mondo, i ricercatori sono continuamente alla ricerca di nuovi materiali organici che possono essere utilizzati in elettronica organica con prestazioni desiderabile o stabilità, che scende a causa di un uso prolungato. Nel caso di dispositivi organici, è importante comprendere il comportamento dell’elemento portante della carica completamente conoscere le regole del comportamento del dispositivo di guida. Analisi dell’effetto di molecolare struttura sulla generazione dell’elemento portante della carica e la dinamica e il mantenimento dell’equilibrio degli elementi portanti di carica iniettata, sia positivi (fori) e negative (elettroni), è fondamentale migliorare l’efficienza e la stabilità i dispositivi organici. Questo assicura la ricombinazione efficace di queste spese individuali e di conseguenza migliora notevolmente l’efficienza di fotoluminescenza del organic light emitting diodi (OLED)1,2. Per il fotovoltaico organico (OPVs)3,4 , nonché biologico campo effetto transistor (OFETs)5,6, è necessario disporre di materiali con mobilità di elemento portante ad alta carica. Oltre all’analisi di elementi portanti della carica, diversi parametri importanti di materiali organici elettroattivi aiutano nel predire dove potrebbe essere utilizzato il materiale: potenziale di ionizzazione (IP), i livelli di energia di elettrone affinità (EA) e band-gap tra li7 ,8,9,10.
In questo lavoro, vi presentiamo un metodo per la misurazione efficiente di voltammetria ciclica (CV) che può essere utilizzato nell’analisi di tutti i tipi di materiali elettroattivi. Questa tecnica fornisce informazioni sulle proprietà redox, il meccanismo di doping/dedoping, la stabilità, la conversione e la conservazione di energia, ecc. Permette anche per la stima dell’energia di ionizzazione e affinità dell’elettrone dei composti della prova in un modo molto più economico e più veloce rispetto ad altri metodi di alti vuoto. I suddetti parametri correlano con i livelli di energia del più alto orbitale molecolare occupato (HOMO) e più basso non occupato orbitale molecolare (LUMO).
Il metodo presentato in questo articolo può essere utilizzato per analizzare tutti i tipi di composti coniugati come quelli con gli elettroni π delocalizzati nelle loro strutture. Composti coniugati possono essere piccole molecole con grandi catene polimeriche. Piccole molecole possono anche essere monomeri; durante la reazione iniziale monomeri (fotochimiche, elettrochimiche o chimiche) possono formare i polimeri. In applicazione di OLED, i valori del livello di energia sono necessari per consentire l’utilizzo di host corretto per l’emettitore in un’attivazione termica ritardata sistema guest host a fluorescenza (TADF) o per decidere con quali composti lo strato di donatore-accettore exciplex potrebbe essere formato e quali ulteriori strati (strato (ETL), foro trasporto strato (HTL), strato di blocco dell’elettrone (EBL) e strato ostruente foro (HBL) di trasporto dell’elettrone) sarà necessari sintetizzare stabile in modo efficiente a carico bilanciato dispositivi OLED11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. ulteriori misure elettrochimiche consentono lo studio di reazioni secondarie possibili durante il processo di degradazione dello strato attivo e la formazione del mobile basso pagare vettori (bipolaroni)18,19 ,20,21,22.
Accoppiamento elettrochimica e Spettroelettrochimica metodi consente facile, precisa e affidabile determinazione del grado di ossidazione o riduzione di composti coniugati e la loro degradazione potenziale, che è cruciale per la stabilità23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultravioletto-visibile e vicino infrarosso spettroscopia (UV-Vis-NIR) accoppiata con elettrochimica può caratterizzare le proprietà cromatiche fondamentali di tutti i nuovi composti coniugati, come il cambio della banda di assorbimento durante il doping 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
In uno studio relazionato al meccanismo di anti-doping, è importante definire il tipo di elementi portanti della carica. In questo processo, due classi di quasiparticelle caricate prendono parte, uno con centrifuga non compensata (polaroni) e il secondo è diamagnetico (bipolaroni); spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) fornisce assistenza inestimabile, che direttamente permette di osservare e rilevare le modifiche in popolazioni di polaroni paramagnetico29,30,31,32 . In piccole molecole, è difficile forma bipolaroni, ma queste molecole possono essere coniugate abbastanza e hanno proprietà che inducono bipolarone; è importante verificare se e a quali potenziali polaroni e bipolaroni sono formati nella struttura. Bipolaroni sono almeno un ordine in mobilità inferiore a quella di polaroni; Pertanto, se i bipolaroni sono formati in dispositivi di lavoro, quindi potrebbe portare a un rapporto squilibrato di elementi portanti della carica, che porterebbe a corrente elevata e il surriscaldamento del dispositivo OLED o può ben essere i centri di degradazione33.
Il metodo di misurazione proposto in questo studio è più veloce ed economico e permette per la determinazione dei parametri operativi più importanti per un gran numero di materiali elettroattivi senza la necessità di speciali dispositivi che si basano sulla nuova sintesi materiali per controllare le prestazioni. Applicando elettrochimica e spectroelectrochemistry, è possibile selezionare un materiale che è davvero promettente da centinaia di nuovi materiali. Inoltre, è possibile ottenere informazioni dettagliate per quanto riguarda i processi del doping e loro effetti sulla struttura chimica della prova coniugato con sistemi che utilizzano elettrochimica e Spettroelettrochimica metodi, che permette di costruire più dispositivi di elettronica organica efficiente.
Tecniche di elettrochimica e Spettroelettrochimica non hanno limitazioni; si può analizzare sia allo stato solido e liquidi soluzioni in una vasta gamma di temperatura e altre condizioni con queste tecniche. La cosa importante in tutti questi casi è che i composti/materiali vengono analizzati sotto il potenziale applicato, replicando le condizioni del mondo reale per l’utilizzo di dispositivi di elettronica organica. L’unica differenza è che in elettrochimica, la formazione di portatori di carica, è osservata.
I metodi presentati qui illustrano l’utilità dell’analisi di portatori generati nei composti organici che correlano con la loro applicabilità in elettronica organica. Inoltre, le tecniche di elettrochimica e Spettroelettrochimica sono meno costosi e meno esigenti di quello dei tipici metodi utilizzati nell’analisi di vettore di carica, ma ci sono alcuni passaggi critici e modifiche del protocollo che sono necessari a seconda del risultati ottenuti.
Durante la caratterizzazione elettrochimica, iniziare sempre con una particolare concentrazione. Se un insieme dei composti è rispetto, tutti i materiali hanno bisogno di avere la stessa concentrazione molare. Il migliore è di iniziare con concentrazione di 1 mM e 50 mV/s velocità di scansione come indicato nel protocollo in questo studio, ma è bene sapere che la concentrazione del campione sul comportamento elettrochimico osservato. Sempre cercare di misurare almeno tre scansioni. Le prime due scansioni sono solitamente differenti perché le condizioni di partenza (equilibrio) sono diverse. Il secondo e il terza scansioni dovrebbero essere lo stesso. Se le scansioni seconda e terza sono uguali, quindi non ci sono probabilmente nessun reazioni collaterali osservati in questo sistema (Figura 2a). In un processo di ossidazione, un nuovo picco a un potenziale inferiore appare mostrando che il materiale conduttivo è stato depositato il WE18,19,24,25,29,30 , 31 , 32. se l’altezza del picco inferiore aumenta nelle successive scansioni, quindi probabilmente il polimero coniugato è stato depositato18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. se tutte le correnti diminuiscono nelle successive scansioni, quindi il prodotto non conduttivo di degradazione è stato depositato sull’elettrodo. Se un molto piccolo picco si osserva prima il principale ossidazione o riduzione peak (soprattutto per i polimeri), allora questo è probabilmente carica-intrappolamento processo19,23,31,34. Se si osserva un picco di dedoping acuto di ossidazione o riduzione, quindi questo è probabilmente causato dalla decomposizione delle strutture cristalline su un elettrodo formata attraverso il processo di electrocrystallization durante l’ossidazione35.
Controllare sempre il comportamento della sostanza prima, durante e dopo i picchi di redox in esame. Vuol dire che devono essere registrate almeno tre scansioni CV: con tomaia (nel caso ossidazione) o più basso potenziale di vertice inferiore o superiore, rispettivamente, quindi il potenziale di massimo picco, con un potenziale di vertice superiore o inferiore impostata esattamente il massimo del picco e con Vertex potenzialità superiore (ossidazione) e inferiore (riduzione) che il potenziale del massimo del picco. Il processo osservato può variare e talvolta due processi possono essere osservati sotto un unico picco teoricamente. Sempre confrontare i raccolti voltammograms ciclico dell’elettrolito (punto 2.6), il ferrocene (punto 2.9), il composto (passo 2.13) e il ferrocene con composto (passo 2.19); Ci sono diversi problemi da tenere in considerazione.
Sempre confrontare i segnali CV dell’elettrolito e il test composto, se alcun segnale dall’elettrolito è visibile sul voltammogram ciclico del composto misurato, poi l’elettrolito deve essere cambiato perché la finestra elettrochimica è troppo bassa, o il dell’elettrolito è contaminato. Se il segnale (coppia redox) del ferrocene (punto 2.9) e ferrocene con composto (passo 2.19) sono nella stessa posizione, quindi tutto viene eseguito correttamente. Se i picchi sono spostati tra l’altro, quindi controllare il RE e ripetere la misurazione. Se il segnale (ossidazione, riduzione o potenziale di coppia redox) del test composto con aggiunto ferrocene (passo 2.19) è a un potenziale più elevato di quello del puro compound (passo 2.13), quindi prendere in considerazione i valori (ossidazione, riduzione o redox coppia potenziali) da il voltammogram ciclico del composto puro. Lo spostamento è causato dalla maggiore quantità di ferrocene nella soluzione. Quando si osservano due processi di ossidazione, il primo processo (ossidazione o riduzione) che è sempre su WE può interessare la superficie attiva; Questo può causare un aumento del potenziale di ossidazione del secondo processo (Figura 9).
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono con gratitudine il sostegno finanziario del progetto “Excilight” “Donatore-accettore Light Emitting Tespesio come materiali per facile-a-tailor Lightning OLED ultra-efficiente” (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finanziato da Marie Skłodowska-Curie Azioni nell’ambito del programma quadro per la ricerca e innovazioni “Horizon 2020”.
Potentiostat | Metrohm | Autolab PGSTAT100 | |
EPR | JEOL | JES-FA200 | |
UV-Vis detector | Oceanoptics | QE6500 | |
NIR detector | Oceanoptics | NIRQuest | |
Dichloromethane (DCM) | Sigma-Aldrich | 106048 | |
Tetrabutylammonium tetrafluoroborate (Bu4NBF4) | Sigma-Aldrich | 86896 | |
2-propanol, 99.9% | Sigma-Aldrich | 675431 | |
Acetone, 99.9% | Sigma-Aldrich | 439126 | |
Ultrasonic Bath | Elma | S30H | |
Tetrahydrofuran >99.9% | Sigma-Aldrich | 401757 | |
ferrocene >98% | Sigma-Aldrich | F408 | |
decamethylferrocene >97% | Sigma-Aldrich | 378542 |