I denne artikkelen beskriver vi elektrokjemiske, elektron spinn resonans og UV-synlig og nær infrarød spectroelectrochemical metoder å analysere organiske forbindelser for programmet i organisk elektronikk.
Syklisk voltammetry (CV) er en teknikk som brukes i analyse av organiske forbindelser. Denne teknikken er kombinert med elektron spinn resonans (EPR) eller ultrafiolett synlige og nær infrarød (UV-Vis-NIR) spectroscopies, få vi nyttig informasjon om elektron affinitet, ionisering potensial, bandet-gap energier, type belaste bærere og fornedrelse informasjon som kan brukes til å syntetisere stabil organisk elektroniske enheter. I denne studien presenterer vi elektrokjemiske og spectroelectrochemical metoder for å analysere prosessene som oppstår i aktive lag av en organisk enhet som genererte kostnader bærere.
Over hele verden, søker forskere stadig etter nye organisk materiale som kan brukes i organisk elektronikk med ønskelig ytelse eller stabilitet, som synker utvidet bruk. Ved økologisk enheter er det viktig å forstå virkemåten til Ladningsbærere å fullt ut kjenne reglene kjøring enheten virkemåten. Analyse av effekten av den molekylære strukturen på generering av kostnader bærer og dynamikk og vedlikehold av saldoen injisert kostnader bærere, både positive (hull) og negative (elektroner), er avgjørende for å forbedre ytelse og stabilitet organisk enhetene. Dette sikrer effektiv rekombinasjon disse individuelle kostnader og dermed forbedrer betraktelig photoluminescence effektiviteten av den økologiske lys emitting diodes (OLED)1,2. For organiske solcellepanel (OPVs)3,4 samt organisk feltet effekt transistorer (OFETs)5,6er det nødvendig å ha materiale med høy kostnad carrier mobilitet. I tillegg til analyse av kostnader bærere, flere viktige parametere av organisk electroactive materialer å forutse hvor materialet kan brukes: ionisering potensial (IP), elektron affinitet (EA) energinivå og bandet-gap mellom dem7 ,8,9,10.
I dette arbeidet presenterer vi en metode for effektiv måling av syklisk voltammetry (CV) som kan brukes i analyser av alle typer electroactive materialer. Denne teknikken gir informasjon om redoks egenskaper, doping/dedoping mekanismen, stabilitet, konvertering og lagring av energi, etc. Det tillater også for estimering elektron affinitet og ioniseringen energi av testen forbindelser i en mye billigere og raskere måte sammenlignet med andre høyt vakuum metoder. Nevnte parameterne samsvarer med energinivået høyeste okkuperte molekylær orbital (HOMO) og laveste ledig molekylær orbital (LUMO).
Metoden som presenteres i denne artikkelen kan brukes til å analysere alle typer konjugert forbindelser som dem med delocalized π-elektroner i deres strukturer. Konjugert forbindelser kan være små molekyler med stor polymere kjeder. Små molekyler kan også være monomerer; under den første reaksjonen kan (fotokjemisk, elektrokjemiske eller kjemiske) monomerer danne polymerer. OLED program er energi nivå verdiene nødvendig å aktivere bruk av riktig vert for emitter i en termisk aktivert forsinket fluorescens (TADF) parkvert systemet eller bestemme som forbindelser exciplex donor-acceptor laget kunne dannet og hva ytterligere lag (elektronet transport layer (ETL), hull transport layer (HTL), elektron blokkerer lag (EBL) og hull blokkerer lag (HBL)) vil være nødvendig å syntetisere stabil effektivt belastet balansert OLED enheter11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. ytterligere elektrokjemiske målinger at etterforskningen av mulige siden reaksjoner under av nedbrytning av det aktive laget og dannelsen av lav mobil lade bærere (bipolarons)18,19 ,20,21,22.
Koplingen elektrokjemiske og spectroelectrochemical metoder gir enkel, nøyaktig og pålitelig fastsettelse av graden av oksidasjon eller reduksjon av konjugert forbindelser og deres fornedrelse potensial, som er avgjørende for stabilitet23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. ultrafiolett synlige og nær infrarød (UV-Vis-NIR) spektroskopi kombinert med elektrokjemi kan beskrive grunnleggende kromatisk egenskapene for alle nye konjugert forbindelser, for eksempel endring av absorpsjon bandet under doping 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
I en studie knyttet til doping mekanismen, er det viktig å definere kostnader bærere. I denne prosessen, to klasser av ladet quasiparticles delta, en med uncompensated spinn (polarons) og det andre er diamagnetic (bipolarons); elektron spinn resonans (EPR) spektroskopi gir uvurderlig hjelp, som direkte kan observere og spore endringer i populasjoner av spinn polarons29,30,31,32 . I små molekyler, er det vanskelig å form bipolarons, men disse molekylene kan være ganske likt og har bipolaron-inducing egenskaper; Det er viktig å sjekke om og som polarons og bipolarons er dannet i strukturen. Bipolarons er minst én ordre lavere i mobilitet enn polarons; Derfor, hvis bipolarons er dannet i virksomme innretninger, så det kan føre til en ubalansert forholdet mellom kostnader bærere, som vil resultere i svært høy strøm og overoppheting av OLED enheten eller godt være av nedbrytning33.
Målemetode foreslått i denne studien er billig og raskere og gir mulighet for fastsettelse av mest verdifulle operative parametere for et stort antall electroactive materialer uten behov for spesielle enheter som er basert på nylig syntetisert materialer å sjekke ytelsen. Ved å bruke elektrokjemi og spectroelectrochemistry, er det mulig å velge en materiale som er veldig lovende fra hundrevis av nye materialer. I tillegg er det mulig å få detaljert informasjon om prosessene for doping og deres effekter på den kjemiske strukturen til testen konjugert systemer som bruker elektrokjemiske og spectroelectrochemical metoder, som kan lage mer effektiv organisk elektronikk anordninger.
Elektrokjemiske og spectroelectrochemical har ingen begrensninger; en kan analysere både fast og flytende løsninger i et bredt spekter av temperatur og andre forhold med disse teknikkene. Viktigste i alle disse tilfellene er at forbindelser/materialer er analysert under anvendt potensialet, replikere virkeligheten arbeidsforhold organisk elektronikk anordninger. Den eneste forskjellen er at i elektrokjemi, er dannelsen av kostnader bærere, observert.
Metodene presenteres her viser nytten av analyse av ladet bærere generert i organiske forbindelser som samsvarer med deres anvendelse i organisk elektronikk. Videre de elektrokjemiske og spectroelectrochemical teknikkene er billigere og mindre krevende enn vanlige metoder som brukes i kostnader bærer analyse, men det er noen viktige trinn og modifikasjoner av protokollen som kreves avhengig av hente resultater.
Under elektrokjemiske karakterisering, alltid starte med en bestemt konsentrasjon. Hvis et sett av forbindelser sammenlignes, deretter må alle materialer ha samme molar konsentrasjonen. Best er å starte med 1 mM konsentrasjon og 50 mV/s skanne rate som angitt i protokollen denne studien, men det er godt å vite konsentrasjonen av prøven på observerte elektrokjemiske oppførselen. Prøv alltid å måle minst tre skanninger. De to første skanner er vanligvis forskjellige fordi Start betingelsene (likevekt) er annerledes. Andre og tredje skanner bør være den samme. Hvis den andre og tredje skanner er like, er det trolig ingen siden reaksjoner i dette systemet (figur 2a). I en oksidasjonsprosessen vises en ny topp på en lavere potensial viser at det ledende materialet ble avsatt på vi18,19,24,–25,29,30 , 31 , 32. Hvis høyden på lavere toppen øker i påfølgende skanner, så sannsynligvis den konjugert polymer ble avsatt18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. Hvis alle strømmene nedgang i påfølgende skanner, så nonconductive produktet av nedbrytning ble avsatt på elektroden. Hvis en liten peak er observert før viktigste oksidasjon eller reduksjon peak (spesielt for polymerer), så er dette trolig kostnad-fangst prosessen19,23,31,34. Hvis en veldig skarp dedoping toppen av oksidasjon eller reduksjon er observert, er dette sannsynligvis forårsaket av nedbryting av krystallinsk strukturer på en elektrode dannet gjennom electrocrystallization prosessen under oksidasjon35.
Kontroller virkemåten til testen sammensatte før, under og etter redoks topper. Det betyr at minst tre CV skanner skal registreres: øvre (i tilfelle oksidasjon) eller nedre ytterpunkt potensialet eller høyere, henholdsvis så potensialet i topp maksimalt, med øvre eller nedre ytterpunkt potensial satt til nøyaktig på toppen maksimal og med toppunktet potensialer høyere (oksidasjon) og lavere (reduksjon) enn potensial peak maksimalt. Observert prosessen kan variere, og noen ganger to prosesser kan observeres under en topp teoretisk. Alltid sammenligne den innsamlede syklisk voltammograms av elektrolytt (trinn 2.6), ferrocene (trinn 2.9), sammensatt (trinn 2.13) og ferrocene med sammensatte (trinn 2.19); Det er flere problemer å bli tatt i betraktning.
Alltid sammenligne CV signalene fra elektrolytten og test sammensatte, hvis noen signaler fra elektrolytt er synlig på de sykliske voltammogram av det målte sammensatt, elektrolytt må endres fordi elektrokjemiske vinduet er for lavt, eller elektrolytt er forurenset. Hvis signalet (redoks par) av ferrocene (trinn 2.9) og ferrocene med sammensatte (trinn 2.19) er i samme posisjon, utføres alt riktig. Hvis toppene er flyttet mellom hverandre, så sjekk RE og gjenta målingen. Hvis signalet (oksidasjon reduksjon og redoks par potensielle) av testen sammensatt med lagt ferrocene (trinn 2.19) på en høyere potensial enn ren sammensatte (trinn 2.13), så vurdere verdiene (oksidasjon reduksjon og redoks par potensielle) fra den sykliske voltammogram av det ren sammensatt. Overgangen skyldes høyere mengden ferrocene i løsningen. Når to oksidasjon prosesser er observert, kan den første prosessen (oksidasjon eller reduksjon) som alltid er på vi påvirke den aktive overflaten; Dette kan forårsake en økning i oksidasjonen potensialet i den andre prosessen (figur 9).
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takknemlig anerkjenner økonomisk støtte av “Excilight” prosjekt “Donor-Acceptor lys Emitting Exciplexes som materiale for enkel-å-skreddersy supereffektive OLED lyn” (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) finansiert av Marie Skłodowska-Curie Handlinger i rammeprogram for forskning og innovasjon “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 |