Çözüm Biriktirmeden Verimli OLED'lerin Geliştirilmesi

Günlük hayatta kullanılan organik elektronikteki artış eşsiz bir gerçeklik haline gelmiştir. Birkaç organik elektronik uygulama arasında, OLED’ler belki de en çekici olanıdır. Görüntü kalitesi, çözünürlüğü ve renk saflığı, OLED’leri ekranlar için birincil seçenek haline getirmiştir. Ayrıca, son derece ince, esnek, hafif ve kolay renk ayarlanabilir OLED’lerde geniş alan emisyonu elde etme olasılığının aydınlatmada uygulamaları vardır. Bununla birlikte, geniş alan yayıcılarda üretim süreciyle ilgili bazı teknolojik sorunlar, daha fazla uygulamayı ertelemiştir.

Düşük uygulanan voltajlarda çalışan ilk OLED¹ ile, düşük harici kuantum verimliliği (EQE) ile birlikte katı hal aydınlatması için yeni paradigmalar tasarlanmıştır. OLED EQE, yayılan fotonların (ışık) enjekte edilen elektrik taşıyıcılarına (elektrik akımı) oranı ile elde edilir. Beklenen maksimum EQE için basit bir teorik tahmin, x η_int ^2’η _eşittir . İç verimlilik (η int), η_int  = γ x x Φ PL ile yaklaştırılabilir, burada γ yük dengesi faktörüne karşılık gelir, Φ_PL fotolüminesans kuantum verimidir (PLQY) ve yayıcı eksiton (elektron deliği çifti) üretiminin verimliliğidir. Son olarak, η çıkış verimliliği^2’dir_. Dışa bağlama dikkate alınmazsa, dikkat üç konuya odaklanır: (1) malzemenin ışıltılı olarak yeniden birleşen eksitonlar oluşturmada ne kadar verimli olduğu, (2) yayıcı katmanların ne kadar verimli olduğu ve (3) cihaz yapısının iyi dengelenmiş bir elektrik sistemini teşvik etmede ne kadar verimli olduğu³.

Tamamen floresan organik bir yayıcı, sadece% 25 dahili kuantum verimliliğine (IQE) sahiptir. Spin kurallarına göre, üçlüden singlet’a (T→S) ışınımsal geçiş yasaktır⁴. Bu nedenle, uyarılmış elektrik taşıyıcılarının% 75’i fotonların emisyonuna katkıda bulunmaz⁵. Bu sorun ilk olarak organik yayıcı fosforesans OLED’lerinde geçiş metalleri kullanılarak aşıldı 6,7,8,9,10, IQE’nin% 100’e yakın olduğu bildirildi ^{11,12,13,14,15,16} . Bunun nedeni, organik bileşik ve ağır geçiş metali arasındaki spin-orbit bağlantısıdır. Bu tür yayıcılardaki dezavantaj, yüksek maliyetleri ve zayıf stabiliteleridir. Son zamanlarda, Adachi^17,18 tarafından uyarılmış üçlü ve singlet durumları (∆E_ST) arasında düşük enerjili ayrılığa sahip saf bir organik bileşiğin kimyasal sentezi hakkındaki raporlar yeni bir çerçeveye yol açmıştır. Yeni¹⁹ olmasa da, TADF sürecinin OLED’lerde başarılı bir şekilde kullanılması, geçiş metali kompleksleri kullanmadan yüksek verimlilik elde etmeyi mümkün kılmıştır.

Bu tür metalsiz organik yayıcılarda, üçlü durumdaki uyarılmış taşıyıcıların singlet durumuna geçme olasılığı yüksektir; bu nedenle, IQE teorik sınırı% 100 5,20,21,22’ye ulaşabilir. Bu TADF malzemeleri, ışınımsal olarak yeniden birleşebilen eksitonlar sağlar. Bununla birlikte, bu yayıcılar, bir ev sahibi-misafir konseptinde 3,20,21,23,24 emisyon söndürmesini önlemek için bir matris konağında dağılma gerektirir. Ek olarak, verimliliği ev sahibinin (organik matris) misafir (TADF) malzemesine nasıl tahsis edildiğine bağlıdır²⁵. Ayrıca, elektriksel olarak dengeli bir cihaz elde etmek için cihaz yapısını (yani ince katmanlar, malzemeler ve kalınlık) idealize etmek gerekir (kaybı önlemek için delikler ve elektronlar arasındaki denge)²⁶. Elektrik dengeli bir cihaz için en iyi ev sahibi-misafir sistemini elde etmek, EQE’yi artırmak için esastır. TADF tabanlı sistemlerde, EML’deki elektriksel taşıyıcı hareketliliklerinde kolayca ayarlanamayan değişiklikler nedeniyle bu basit değildir.

TADF yayıcılarla,% 20’den büyük EQE değerlerinin elde edilmesi kolaydır^26,27,28,29. Bununla birlikte, cihaz yapısı tipik olarak üç ila beş organik katmandan oluşur (sırasıyla delik taşıma / blokaj ve elektron taşıma / bloke etme katmanları, HTL / HBL ve ETL / EBL). Ek olarak, maliyeti yüksek, teknolojik olarak karmaşık ve neredeyse sadece ekran uygulamaları için termal bir buharlaştırma işlemi kullanılarak üretilmiştir. HOMO (en yüksek işgal edilmiş moleküler orbital) ve LUMO (en düşük boş moleküler orbital) seviyelerine, taşıyıcıların elektriksel hareketliliğine ve kalınlığına bağlı olarak, her katman elektrik taşıyıcılarını enjekte edebilir, taşıyabilir ve bloke edebilir ve yayıcı tabakada (EML) rekombinasyonu garanti edebilir.

Cihaz karmaşıklığını azaltmak (örneğin, basit, iki katmanlı bir yapı) genellikle EQE’nin gözle görülür bir şekilde azalmasına, bazen %5’in altına düşmesine neden olur. Bu, EML’deki farklı elektron ve delik hareketliliği nedeniyle olur ve cihaz elektriksel olarak dengesiz hale gelir. Böylece, eksiton oluşturmanın yüksek verimliliği yerine, EML’deki emisyon verimliliği düşük olur. Ayrıca, yüksek uygulanan voltajda yüksek eksiton konsantrasyonu ve uzun uyarılmış ömürler ^24,30,31 nedeniyle parlaklık arttıkça EQE’nin güçlü bir şekilde azalmasıyla gözle görülür bir yuvarlanma meydana gelir. Bu tür sorunların üstesinden gelmek, yayıcı tabakanın elektriksel özelliklerini manipüle etmek için güçlü bir yetenek gerektirir. Çözelti biriktirilmiş yöntemleri kullanan basit bir OLED mimarisi için, EML’nin elektriksel özellikleri çözelti hazırlama ve biriktirme parametreleri³² ile ayarlanabilir.

Organik bazlı cihazlar için çözelti biriktirme yöntemleri daha önce kullanılmış³¹. OLED üretimi, termal buharlaşma işlemine kıyasla, basitleştirilmiş yapıları, düşük maliyetleri ve geniş alan üretimi nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Geçiş metali kompleksleri OLED’lerde yüksek başarı ile asıl amaç, yayma alanını arttırmak, ancak cihaz yapısını mümkün olduğunca basit tutmaktır³³. Roll-to-roll (R2R)34,35,36, inkjet baskı^37,38,39 ve slot-die⁴⁰ gibi yöntemler^, OLED’lerin çok katmanlı imalatında başarıyla uygulanmıştır ki bu da olası bir endüstriyel yaklaşımdır.

Cihaz mimarisinin basitleştirilmesi için iyi bir seçim görevi gören organik katmanlar için çözelti biriktirme yöntemlerine rağmen, istenen tüm malzemeler kolayca biriktirilemez. İki tür malzeme kullanılır: küçük moleküller ve polimerler. Çözelti biriktirme yöntemlerinde, küçük moleküllerin zayıf ince film homojenliği, kristalleşme ve stabilite gibi bazı dezavantajları vardır. Bu nedenle, polimerler çoğunlukla düşük yüzey pürüzlülüğüne ve büyük, esnek substratlara sahip düzgün ince filmler oluşturma kabiliyeti nedeniyle kullanılır. Ayrıca, malzemeler uygun çözücüde (esas olarak kloroform, klorobenzen, diklorobenzen vb. Organik olanlar), suda veya alkol türevlerinde iyi çözünürlüğe sahip olmalıdır.

Çözünürlük probleminin yanı sıra, bir katmanda kullanılan bir çözücünün önceki katman için bir çözücü gibi davranmaması gerektiğini garanti etmek gerekir. Bu, ıslak işlemle biriktirilen çok katmanlı bir yapıya izin verir; ancak, sınırlamalar vardır⁴¹. En tipik cihaz yapısı, bazı çözelti biriktirilmiş katmanları (yani, yayan katmanı) ve bir termal olarak buharlaştırılmış katmanı (ETL) kullanır. Ek olarak, ince film homojenliği ve morfolojisi, biriktirme yöntemlerine ve parametrelerine büyük ölçüde bağlıdır. Bu katmanlardan elektrik yükü taşınması tamamen bu morfoloji tarafından yönetilir. Bununla birlikte, istenen nihai cihaz ile üretim sürecinin uygunlukları arasında bir denge makul bir şekilde kurulmalıdır. Biriktirme parametrelerini ayarlamak, zaman alıcı bir iş olmasına rağmen başarının anahtarıdır. Örneğin, spin kaplama basit bir teknik değildir. Basit görünse de, ince film oluşumunun, eğirme substratının üstündeki bir çözeltiden dikkat gerektiren birkaç yönü vardır.

Film kalınlığı optimizasyonu, eğirme hızının manipülasyonu ve zamanın (kalınlık her iki parametrenin üstel bir bozunmasıdır) yanı sıra, deneycinin eylemleri de iyi sonuçlar elde etmek için ayarlanmalıdır. Doğru parametreler ayrıca çözelti viskozitesine, biriktirme alanına ve alt tabaka üzerindeki çözeltinin ıslanabilirliğine/temas açısına da bağlıdır. Benzersiz parametre kümeleri yoktur. Sadece çözeltiye/substrata özel ayarlamalar içeren temel varsayımlar istenen sonuçları verir. Ayrıca, katman moleküler konformasyonuna ve morfolojisine bağlı elektriksel özellikler, burada açıklanan protokol izlenerek istenen sonuçlar için optimize edilebilir. Tamamlandığında, süreç basit ve uygulanabilir.

Bununla birlikte, cihaz yapısının karmaşıklığını azaltmak, maksimum EQE düşüşüne yol açar; Bununla birlikte, verimlilik ve parlaklık açısından bir uzlaşma sağlanabilir. Böyle bir uzlaşma pratik uygulamalara izin verdiğinden, basit, geniş bir alan uyumlu ve düşük maliyetli bir sürecin fazlası gerçeğe dönüşebilir. Bu makalede, bu gereksinimler ve gerekli sorunları ele almak için bir tarifin nasıl geliştirileceği açıklanmaktadır.

Protokol, EML’ye karşılık gelen PVK [poli (N-vinilkarbazol)] ve OXD-7 [1,3-Bis [2-(4-tert-bütilfenil)-1,3,4-oksadiazo-5-il]benzen] tarafından oluşturulan bir konakçı matrisinde konuk olarak yeşil bir TADF yayıcı 2PXZ-OXD [2,5-bis (4-tert-bütilfenil)-1,3,4-oksadiazo-5-il]benzen] üzerine odaklanmaktadır. TmPyPb [1,3,5-Tri(m-piridin-3-ilfenil)benzen] elektron taşıma tabakası (ETL) kullanılır. Hem anotun hem de katodun çalışma fonksiyonları optimize edilmiştir. Anot, yüksek iletken polimer PEDOT: PSS [poli (3,4-etilendioksitiyofen)-poli (stirensülfonat)] ile ITO’dan (indiyum kalay oksit) oluşur ve katot çift kat alüminyum ve LiF’den (lityum florür) oluşur.

Son olarak, hem PEDOT: PSS hem de EML (PVK: OXD-7: 2PXZ-OXD) spin kaplama ile biriktirilirken, TmPyPb, LiF ve Al termal olarak buharlaştırılır. PEDOT: PSS’nin iletken metal benzeri doğası göz önüne alındığında, cihaz mümkün olan en basit yapıda tipik bir “iki organik katman” dır. EML’de, TADF misafiri (ağırlıkça% 10), PVK_0.6 + OXD-7_0.4’ten oluşan ev sahibine (ağırlıkça% 90) dağılmıştır.