JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engenharia

Разработка эффективных OLED из осаждения раствора

Published: November 04, 2022
doi:
10.3791/61071
,
1Department of Physics and i3N, Institute for Nanostructures, Nanomodulation and Nanofabrication,University of Aveiro, 2CeNTI, Centre for Nanotechnologies and Smart Materials

Summary

Здесь представлен протокол для изготовления эффективных, простых, осажденных раствором органических светодиодов с низким откатом.

Abstract

Использование высокоэффективных органических излучателей, основанных на концепции термически активированной замедленной флуоресценции (TADF), интересно благодаря их 100% внутренней квантовой эффективности. Здесь представлен метод осаждения раствора для изготовления эффективных органических светодиодов (OLED) на основе излучателя TADF в простой структуре устройства. Этот быстрый, недорогой и эффективный процесс может быть использован для всех излучающих слоев OLED, которые следуют концепции «хозяин-гость». Описаны фундаментальные шаги вместе с необходимой информацией для дальнейшего воспроизведения. Цель состоит в том, чтобы создать общий протокол, который может быть легко адаптирован для основных органических излучателей, которые в настоящее время изучаются и разрабатываются.

Introduction

Увеличение органической электроники, используемой в повседневной жизни, стало непревзойденной реальностью. Среди нескольких органических электронных приложений OLED, пожалуй, самые привлекательные. Их качество изображения, разрешение и чистота цвета сделали OLED основным выбором для дисплеев. Кроме того, возможность достижения излучения большой площади в чрезвычайно тонких, гибких, легких и легко настраиваемых по цвету OLED имеет применение в освещении. Однако некоторые технологические проблемы, связанные с процессом изготовления на больших площадях излучателей, отложили дальнейшее применение.

С первым OLED, работающим при низких приложенных напряжениях1, были разработаны новые парадигмы для твердотельного освещения, хотя и с низкой внешней квантовой эффективностью (EQE). OLED EQE получается отношением излучаемых фотонов (света) к впрыскиваемым электрическим носителям (электрический ток). Простая теоретическая оценка максимального ожидаемого EQE равна ηx ηint 2. Внутренняя эффективность (ηint) может быть аппроксимирована ηint = γ x Equation 1 x ΦPL, где γ соответствует коэффициенту баланса заряда, ΦPL – квантовый выход фотолюминесценции (PLQY) и Equation 1 является эффективностью генерации эмиссивного экситона (пары электронных дырок). Наконец, ηявляется эффективность взаимодействия2. Если не рассматривать развязку, внимание сосредотачивается на трех темах: (1) насколько эффективен материал в создании экситонов, которые излучающе рекомбинируют, (2) насколько эффективны излучающие слои, и (3) насколько эффективна структура устройства в продвижении хорошо сбалансированной электрической системы3.

Чисто флуоресцентный органический излучатель имеет только 25% внутренней квантовой эффективности (IQE). Согласно спиновым правилам, радиационный переход от триплета к синглету (T→S) запрещен4. Поэтому 75% возбужденных электрических носителей не способствуют излучению фотонов5. Эта проблема была впервые преодолена с использованием переходных металлов в фосфоресцентных OLED органических излучателей 6,7,8,9,10, где, как сообщается, IQE был близок к 100%11,12,13,14,15,16 . Это связано со спин-орбитальной связью между органическим соединением и тяжелым переходным металлом. Недостатком таких излучателей является их высокая стоимость и плохая стабильность. Недавно сообщения о химическом синтезе чистого органического соединения с низкоэнергетическим разделением между возбужденными триплетными и синглетными состояниями (∆EST) Adachi17,18 породили новую структуру. Хотя это и не ново19, успешное использование процесса TADF в OLED позволило получить высокую эффективность без использования комплексов переходных металлов.

В таких безметалловых органических излучателях существует высокая вероятность того, что возбужденные носители в триплетном состоянии заселятся до синглетного состояния; таким образом, IQE может достичь теоретического предела 100%5,20,21,22. Эти материалы TADF обеспечивают экситоны, которые могут радиационно рекомбинировать. Однако эти излучатели требуют дисперсии в матричном хосте, чтобы избежать гашенияизлучения 3,20,21,23,24 в концепции хозяин-гость. Кроме того, его эффективность зависит от того, как хозяин (органическая матрица) присваивается гостевому (TADF)материалу 25. Кроме того, необходимо идеализировать структуру устройства (т.е. тонкие слои, материалы и толщину) для достижения электрически сбалансированного устройства (равновесия между дырками и электронами во избежание потерь)26. Достижение наилучшей хост-гостевой системы для электрически сбалансированного устройства имеет основополагающее значение для увеличения EQE. В системах на основе TADF это непросто из-за изменений подвижности электрических носителей в EML, которые нелегко настроить.

С помощью излучателей TADF значения EQE, превышающие 20%, легко получить 26,27,28,29. Однако структура устройства обычно состоит из трех-пяти органических слоев (дырочный транспорт/блокирующий и электрон-транспорт/блокирующий слои, HTL/HBL и ETL/EBL, соответственно). Кроме того, он изготовлен с использованием процесса термического испарения, который является дорогостоящим, технологически сложным и почти только для дисплеев. В зависимости от уровней HOMO (наивысшая занятая молекулярная орбиталь) и LUMO (самая низкая незанятая молекулярная орбиталь), электрической подвижности носителей и толщины, каждый слой может вводить, транспортировать и блокировать электрические носители и гарантировать рекомбинацию в эмиссионном слое (EML).

Снижение сложности устройства (например, простая двухслойная структура) обычно приводит к заметному снижению EQE, иногда до менее чем 5%. Это происходит из-за различной подвижности электронов и дырок в ЭМЛ, и устройство становится электрически несбалансированным. Таким образом, вместо высокой эффективности создания экситона эффективность эмиссии в ЭМЛ становится низкой. Более того, заметный откат происходит при сильном снижении EQE по мере увеличения яркости, из-за высокой концентрации экситонов при высоком приложенном напряжении и длительного времени жизни возбуждения 24,30,31. Преодоление таких проблем требует сильной способности манипулировать электрическими свойствами излучающего слоя. Для простой архитектуры OLED с использованием методов осаждения раствора электрические свойства ЭМЛ могут быть настроены с помощью параметров32 приготовления и осаждения раствора.

Методы осаждения растворов для устройств на органической основе ранее использовались31. Изготовление OLED, по сравнению с процессом термического испарения, представляет большой интерес из-за их упрощенной структуры, низкой стоимости и большой площади производства. При высоком успехе в комплексах переходных металлов OLED основной целью является увеличение площади излучения, но сохранение структуры устройства как можно более простой33. Такие методы, как рулонная (R2R)34,35,36, струйная печать 37,38,39 и слот-матрица40, были успешно применены в многослойном изготовлении OLED, что является возможным промышленным подходом.

Несмотря на то, что методы осаждения раствора для органических слоев служат хорошим выбором для упрощения архитектуры устройства, не все желаемые материалы могут быть легко осаждены. Используются два типа материалов: малые молекулы и полимеры. В методах осаждения раствора малые молекулы имеют некоторые недостатки, такие как плохая однородность тонкой пленки, кристаллизация и стабильность. Таким образом, полимеры в основном используются из-за способности образовывать однородные тонкие пленки с низкой шероховатостью поверхности и на больших, гибких подложках. Кроме того, материалы должны иметь хорошую растворимость в соответствующих растворителях (в основном органических, таких как хлороформ, хлорбензол, дихлорбензол и т.д.), воде или производных спирта.

Помимо проблемы растворимости, необходимо гарантировать, что растворитель, используемый в одном слое, не должен действовать как растворитель для предыдущего слоя. Это позволяет создать многослойную структуру, осажденную влажным процессом; однако существуют ограничения41. Наиболее типичная структура устройства использует некоторые слои, осажденные раствором (т.е. эмиссионный) и один термически испаряющийся слой (ETL). Кроме того, однородность и морфология тонких пленок сильно зависят от методов и параметров осаждения. Перенос электрического заряда через эти слои полностью регулируется такой морфологией. Тем не менее, компромисс между желаемым конечным устройством и совместимостью процесса изготовления должен быть разумно установлен. Корректировка параметров осаждения является ключом к успеху, несмотря на то, что это трудоемкая работа. Например, спиновое покрытие не является простым методом. Хотя это кажется простым, есть несколько аспектов образования тонкой пленки из раствора поверх вращающейся подложки, которые требуют внимания.

Помимо оптимизации толщины пленки, манипулирования скоростью вращения и временем (толщина является экспоненциальным затуханием обоих параметров), действия экспериментатора также должны быть скорректированы для получения хороших результатов. Правильные параметры также зависят от вязкости раствора, площади осаждения и смачиваемости/угла контакта раствора на подложке. Уникальных наборов параметров не существует. Только базовые допущения с конкретными корректировками решения/субстрата дают желаемые результаты. Кроме того, электрические свойства, которые зависят от молекулярной конформации и морфологии слоя, могут быть оптимизированы для достижения желаемых результатов в соответствии с протоколом, описанным здесь. После завершения процесс прост и осуществим.

Тем не менее, снижение сложности конструкции устройства приводит к максимальному снижению EQE; хотя компромисс может быть достигнут с точки зрения эффективности и яркости. Поскольку такой компромисс допускает практическое применение, избыток простого, совместимого с большой площадью и недорогого процесса может стать реальностью. В этой статье описываются эти требования и способы разработки рецепта для решения требуемых проблем.

Протокол фокусируется на зеленом TADF-излучателе 2PXZ-OXD [2,5-бис(4-(10H-феноксазин-10-ил)фенил)-1,3,4-окадиазол]42 в качестве гостя в матрице хозяина, состоящей из PVK [поли(N-винилкарбазол)] и OXD-7 [1,3-Бис[2-(4-трет-бутилфенил)-1,3,4-оксадиазо-5-ил]бензола], который соответствует ЭМЛ. Используется электронный транспортный слой (ETL) TmPyPb [1,3,5-три(м-пиридин-3-илфенил)бензол]. Оптимизированы рабочие функции анода и катода. Анод состоит из ITO (оксид индия-олова) с высокопроводящим полимером PEDOT:PSS [поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиронесульфонат)], а катод состоит из двойного слоя алюминия и LiF (фторида лития).

Наконец, как PEDOT: PSS, так и EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) наносятся спиновым покрытием, тогда как TmPyPb, LiF и Al испаряются термически. Учитывая проводящую металлоподобную природу PEDOT:PSS, устройство представляет собой типичный «двухорганический слой» в простейшей возможной структуре. В ЭМЛ гостевой TADF (10% мас.) диспергируют в хозяине (90% мас.), состоящем из PVK0,6+OXD-70,4.

Protocol

ВНИМАНИЕ: Следующие шаги включают использование различных растворителей и органических материалов, поэтому при обращении необходимо соблюдать надлежащий уход. Используйте вытяжной капюшон и защитное снаряжение, такое как лабораторные очки, маски для лица, перчатки и лабораторные ха?…

Representative Results

На рисунке 5 показаны основные результаты для изготовленного устройства. Напряжение включения было чрезвычайно низким (~ 3 В), что является интересным результатом для устройства с двумя органическими слоями. Максимальная яркость составляла около 8000 кд/м2 без испол?…

Discussion

Протокол, используемый здесь для изготовления эффективного OLED в простой структуре устройства, относительно прост. Электрическая подвижность не только модулируется материальным составом слоя устройства, но и критически зависит от морфологии пленки. Важно приготовление растворов и по…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы отметить проект «EXCILIGHT» из исследовательской и инновационной программы Европейского Союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Марии Склодовской-Кюри No 674990. Эта работа также была разработана в рамках проекта i3N, UIDB/50025/2020 & UIDP/50025/2020, финансируемого национальными фондами через FCT/MEC.

Materials

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

Referências

  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. , (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. , (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. , (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

Keywords: OLEDSolution DepositionSpin CoatingHost MatrixTADF EmitterChlorobenzeneITO SubstratePEDOT:PSSSpin Coating Parameters
check_url/pt/61071?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Kumar, M., Pereira, L. Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition. J. Vis. Exp. (189), e61071, doi:10.3791/61071 (2022).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image