En este artículo, describimos electroquímico, resonancia paramagnética electrónica y electroquímicas de ultravioleta-visible e infrarrojo cercano métodos para analizar compuestos orgánicos para su aplicación en electrónica orgánica.
Voltametría cíclica (CV) es una técnica utilizada en el análisis de compuestos orgánicos. Cuando esta técnica se combina con resonancia paramagnética electrónica (EPR) o espectroscopias de ultravioleta-visible e infrarrojo cercano (UV-Vis-NIR), obtenemos información útil como la afinidad electrónica, potencial de ionización, energías de banda prohibida, el tipo de portadores de la carga y la información de degradación que puede utilizarse para sintetizar dispositivos electrónicos orgánicos estables. En este estudio, presentamos electroquímico y electroquímicas métodos para analizar los procesos que ocurren en las capas activas de un dispositivo orgánico, así como los portadores de carga generados.
En todo el mundo, los investigadores continuamente están buscando nuevos materiales orgánicos que pueden ser utilizados en electrónica orgánica con rendimiento deseable o estabilidad, que cae debido a un uso prolongado. En el caso de dispositivos orgánicos, es importante entender el comportamiento del portador del cargo conocer completamente las reglas del comportamiento del dispositivo. Análisis del efecto del molecular de la estructura en la generación del portador de la carga y la dinámica y el mantenimiento del equilibrio de portadores de la carga inyectada, tanto positivas (huecos) y negativas (electrones), es crucial mejorar la eficiencia y la estabilidad de los dispositivos orgánicos. Esto asegura la recombinación efectiva de estos cargos individuales y, en consecuencia, mejora significativamente la eficiencia de la fotoluminiscencia de la luz orgánica emisión de diodos (OLED)1,2. Fotovoltaica orgánica (OPV)3,4 así campo orgánico efecto transistores (OFETs)5,6, es necesario tener materiales con movilidad de portador de alta carga. Además del análisis de portadores de la carga, varios parámetros importantes de los materiales electroactivos orgánica ayudan en la predicción de que el material podría ser utilizado: potencial de ionización (PI), niveles de energía de afinidad (EA) de electrón y boquete de la venda entre ellos7 ,8,9,10.
En este trabajo presentamos un método para la medición eficiente de voltametría cíclica (CV) que puede ser utilizado en el análisis de todo tipo de materiales electroactivos. Esta técnica proporciona información sobre las propiedades redox, el mecanismo de dopaje/dedoping, la estabilidad, la conversión y almacenamiento de energía, etcetera. También permite la estimación de la energía de afinidad e ionización de electrones de los compuestos de prueba una manera mucho más barato y más rápido en comparación con otros métodos de vacío alta. Los parámetros antes mencionados se correlacionan con los niveles de energía del orbital molecular ocupado más alto (HOMO) y el orbital molecular más bajo desocupado (LUMO).
El método presentado en este artículo puede utilizarse para analizar todos los tipos de compuestos conjugados como los π-electrones deslocalizadas en sus estructuras. Compuestos conjugados pueden ser moléculas pequeñas con grandes cadenas poliméricas. Moléculas pequeñas también pueden ser monómeros; durante la reacción inicial (fotoquímicos, electroquímicos o químicos) monómeros pueden formar polímeros. En aplicación de OLED, los valores de nivel de energía son necesarios permitir el uso de host correcto para el emisor en un termal activados retrasado sistema de guest-host de fluorescencia (TADF) o decidir con que compuestos de la capa de donantes-aceptador exciplex podría ser formado y qué capas adicionales (transporte de capa (ETL), transporte de capa (HTL), capa de bloqueo electrónico (EBL) y capa de bloqueo de agujero (HBL) orificio de electrón) será necesarias sintetizar eficientemente cargada estable equilibrado dispositivos OLED de11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17. medidas electroquímicas adicionales permiten la investigación de reacciones secundarias posibles durante el proceso de degradación de la capa activa y la formación de bajos móviles portadores de carga (bipolarons)18,19 ,20,21,22.
Acoplamiento de electroquímica y electroquímicas métodos permite una determinación fácil, precisa y fiable del grado de oxidación o reducción de compuestos conjugados y su degradación potencial, que es crucial para la estabilidad23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28. espectroscopia del ultravioleta-visible e infrarrojo cercano (UV-Vis-NIR) juntada con electroquímica puede caracterizar las propiedades fundamentales de la cromáticas de los nuevos compuestos conjugados, como el cambio de la banda de absorción durante el dopaje 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 , 30.
En un estudio relacionado con el mecanismo de dopaje, es importante definir el tipo de portadores de la carga. En este proceso participan dos clases de quasiparticles cargadas, uno con spin no compensada (polarons) y el segundo ser diamagnético (bipolarons); Espectroscopia de resonancia paramagnética (EPR) del electrón proporciona valiosa ayuda, que directamente nos permite observar y seguir los cambios en las poblaciones de polarons paramagnético29,30,31,32 . En moléculas pequeñas, es difícil de forma bipolarons, pero estas moléculas pueden ser conjugadas bastante y tienen propiedades de inducción de bipolaron; es importante comprobar si y en la que potenciales polarons y los bipolarons se forman en la estructura. Bipolarons son al menos un orden en la movilidad más baja que la de polarons; por lo tanto, si se forman bipolarons en dispositivos de trabajo, entonces podría llevar a una relación desequilibrada de los portadores de carga, que resultarían de gran intensidad y sobrecalentamiento del dispositivo OLED o bien pueden ser los centros de degradación33.
El método de medición propuesto en este estudio es barato y más rápido y permite la determinación de los parámetros operativos más valiosos para un gran número de materiales electroactivos sin necesidad de dispositivos especiales que se basan en recién sintetizado materiales para comprobar su funcionamiento. Mediante la aplicación de la electroquímica y spectroelectrochemistry, es posible seleccionar un material que es realmente prometedor de cientos de nuevos materiales. Además, es posible obtener información detallada sobre los procesos de dopaje y sus efectos sobre la estructura química de la prueba conjugan sistemas electroquímicos y métodos electroquímicas, que permite construir más dispositivos de electrónica orgánica eficiente.
Técnicas electroquímicas y electroquímicas no tienen limitaciones; se pueden analizar el estado sólido y líquidas soluciones en una amplia gama de temperatura y otras condiciones con estas técnicas. Lo importante en todos estos casos es que los compuestos y materiales se analizan bajo el potencial aplicado, replicar las condiciones reales de trabajo dispositivos electrónicos orgánicos. La única diferencia es que en electroquímica, se observa la formación de portadores de carga.
Los métodos presentados aquí muestran la utilidad del análisis de portadores cargados en compuestos orgánicos que se correlacionan con su aplicabilidad en electrónica orgánica. Por otra parte, las técnicas electroquímicas y electroquímicas son más baratos y menos exigentes que la de los métodos típicos usados en análisis de portador de carga, pero hay algunos pasos críticos y modificaciones al Protocolo de que se necesitan dependiendo de la resultados obtenidos.
Durante la caracterización electroquímica, comience siempre con una concentración particular. Si se compara con un conjunto de los compuestos, todos los materiales deben tener la misma concentración molar. Lo mejor es empezar con concentración de 1 mM y 50 mV/s tasa de lectura como se indica en el protocolo de este estudio, pero es bueno saber la concentración de la muestra en el comportamiento electroquímico observado. Trate siempre de medir al menos tres análisis. Las dos primeras exploraciones son generalmente diferentes porque son diferentes las condiciones iniciales (equilibrio). El segundo y el tercer análisis deben ser el mismo. Si la segunda y tercera son la misma, no hay probablemente ningún lado las reacciones observadas en este sistema (Figura 2a). En un proceso de oxidación, un nuevo pico en un menor potencial aparece mostrando que el material conductor se depositó en el18,19,24,25,29,30 , 31 , 32. Si aumenta la altura del pico más bajo en las exploraciones sucesivas, entonces probablemente el polímero conjugado fue depositado18,19,24,25,29 , 30 , 31 , 32. Si todas las corrientes disminuyen en las exploraciones sucesivas, entonces el producto no conductora de degradación fue depositado en el electrodo. Si se observa un pico muy pequeño antes de la oxidación principal o pico de reducción (especialmente para los polímeros), entonces esto es probablemente carga captura proceso19,23,31,34. Si se observa un pico muy agudo dedoping de oxidación o reducción, entonces esto es probablemente causado por la descomposición de estructuras cristalinas en un electrodo formado a través del proceso de electrocristalitzación durante la oxidación35.
Siempre verifique el comportamiento de la prueba compuesta antes, durante y después de picos de redox. Esto significa que se deben registrar al menos tres análisis de CV: con la parte superior (en el caso oxidación) o menor potencial de vértice superior o inferior, respectivamente, entonces el potencial máximo de pico, con potencial de vértice superior o inferior establecido en exactamente en el pico máximo y con vértice los potenciales más altos (oxidación) y menor (reducción) que el potencial del máximo pico. El proceso observado puede variar y algunas veces dos procesos pueden observarse bajo un pico teóricamente. Comparar siempre los voltamperogramas cíclicos recogidos del electrólito (paso 2.6), el ferroceno (paso 2.9), compuesto (paso 2.13) y el ferroceno con compuesto (paso 2,19); Hay varias cuestiones a tener en cuenta.
Siempre comparar las señales de la CV del electrolito y la prueba de compuesto, si las señales desde el electrolito es visible en el voltagrama cíclico del compuesto medido, entonces el electrolito debe cambiarse porque su ventana electroquímico es demasiado baja, o la electrolito está contaminado. Si la señal (par redox) de ferroceno (paso 2.9) y el ferroceno con compuesto (paso 2.19) están en la misma posición, entonces todo se realiza correctamente. Si los picos se desplazan entre sí, entonces Compruebe la RE y repita la medición. Si la señal (oxidación, reducción o par redox potencial) de la prueba de compuesto con agregado ferroceno (paso 2.19) estará a un potencial más alto que el de la pura compuesto (paso 2.13), entonces considera los valores (oxidación, reducción o redox pareja potencial) de el voltagrama cíclico del compuesto puro. El cambio es causado por la mayor cantidad de ferroceno en la solución. Cuando se observan dos procesos de oxidación, el primer proceso (oxidación o reducción) que está siempre en el que puede afectar la superficie activa; Esto puede provocar un aumento en el potencial de oxidación del segundo proceso (figura 9).
The authors have nothing to disclose.
Los autores reconocen con agradecimiento el apoyo financiero del proyecto “Excilight” “Donador aceptor luz emisor Exciplexes como materiales para fácil-a-sastre relámpago OLED ultra eficiente” (H2020-MSCA-ITN-2015/674990) financiado por Marie Skłodowska-Curie Acciones dentro del programa marco de investigación y las innovaciones “Horizonte 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 |