Uma câmara 3D-impresso para orgânicos dispositivo optoeletrônico testes de degradação
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para o projeto, fabricação e uso de um simples e versátil 3D-impresso e controlada atmosférica câmara para caracterização óptica e elétrica de dispositivos optoeletrônicos orgânicos sensíveis ao ar.
Abstract
Neste manuscrito, descrevem a fabricação de uma câmara atmosférica pequena, portátil, fácil de usar para orgânicos e dispositivos optoeletrônicos de perovskita, usando 3D-impressão. Como estes tipos de dispositivos são sensíveis à umidade e oxigênio, tal uma câmara pode ajudar pesquisadores em caracterizar as propriedades eletrônicas e estabilidade. A câmara destina-se a ser usado como um ambiente temporário, reutilizável e estável com propriedades controladas (incluindo a introdução de gás, umidade e temperatura). Ele pode ser usado para proteger materiais sensíveis ao ar ou expô-los a contaminantes de forma controlada para estudos de degradação. Para caracterizar as propriedades da câmara, descrevem um procedimento simples para determinar a taxa de transmissão de vapor de água (WVTR) usando a umidade relativa do ar, medida por um sensor de umidade padrão. Este procedimento operacional padrão, usando uma densidade de enchimento de 50% de ácido polilático (PLA), resulta em uma câmara que pode ser usada por semanas sem qualquer perda significativa de propriedades do dispositivo. A versatilidade e facilidade de utilização da câmara permite que ser adaptado para qualquer condição de caracterização que requer um ambiente controlado compacto.
Introduction
Orgânica e perovskita dispositivos optoeletrônicos, células solares e diodos emissores de luz baseados no conjugado π semicondutores moléculas orgânicas e haletos de organometal são um crescente campo de pesquisa. Orgânicos diodos emissores de luz (OLEDs) já são um elemento tecnológico importante na iluminação e exibe1, e células fotovoltaicas orgânicas começaram a atingir eficiências que torná-los competitivos com silício amorfo2. O recente avanço rápido de dispositivos baseados em perovskita para absorver luz e emissores de luz aplicações3,4,5 sugere que dispositivos de baixo custo, facilmente transformados são prováveis encontrar logo generalizada implantação. No entanto, todas essas tecnologias sofrem uma sensibilidade para contaminantes atmosféricos, particularmente de umidade e oxigênio, o que limita suas vidas eficaz6,7,8,9.
Para os investigadores a estudar tais sistemas, pode ser útil ter uma câmara adaptável, fácil de usar, portátil e reutilizável para proteger tais materiais sensíveis ou de expô-las a contaminantes em uma maneira controlada10,11. Embora seja possível usar uma caixa de luvas para a caracterização de dispositivos sensíveis ao ar, esses ambientes grandes, caros e local fixo, inertes podem ser incompatíveis com a vasta gama de caracterização que pode ser necessária. Para fornecer um portátil alternativa, Reese et al 10 propôs uma pequena câmara de metal com base em um flange padrão de vácuo adequado para a caracterização de dispositivos orgânicos eléctrica e óptica. Nós adaptamos este projeto, tornando-o mais barato e mais versátil por meio de impressão 3D para produzir os componentes da câmara. O uso de impressão 3D, ao invés de usinagem, permite ajustes rápidas e econômicas para mudar de amostra ou exigências ambientais, mantendo a utilidade do projeto básico. Esta contribuição, podemos delinear o procedimento para fazer tal uma câmara e usá-lo para extrair as características corrente-tensão de um dispositivo de diodo orgânico.
Um bom encapsulamento de orgânicos e perovskita dispositivos devem ter WVTRs de 10-3 – 10-6 g/m2/dia para longo prazo dispositivo estabilidade12,13, para garantir a entrada de água pequeno no dispositivo orgânico mesmo em muito condições adversas. Como esta câmara é projetada para ser um ambiente controlado para testes fins ao invés de um método de armazenamento ou encapsulamento a longo prazo, os requisitos para uma câmara de eficaz não são tão rigorosos. A câmara deve ser capaz de manter as propriedades do dispositivo dentro de um prazo razoável para realizar experiências de caracterização. O procedimento operacional padrão do uso de PLA resulta em uma câmara que pode ser usada por vários dias ou mesmo semanas, com um fluxo de gás incorporado, sem uma perda significativa de propriedades do dispositivo.
Mudando os materiais, ou até mesmo a forma e o tamanho do corpo câmara drasticamente podem afetar a penetração de contaminantes do ar dentro da câmara. Portanto, a infiltração de umidade e oxigênio precisa ser cuidadosamente monitorizados para cada projeto determinar a eficácia da câmara. Além para a fabricação da câmara, descrevem um procedimento simples para a determinação do WVTR da câmara, usando um sensor de umidade disponível comercialmente, para estabelecer um prazo para a utilização da câmara para a experimentação.
Uma câmara tão simples, mas versátil permite vários tipos de experimentos para ser executada. Eles podem atuar como ambientes de atmosfera inerte, fora o porta-luvas, adequado para caracterizações elétricas e ópticas através dos portos de passagem elétrica direta e janela. Sua portabilidade permite que eles para ser usado com equipamentos de caracterização elétrica padrão fora do laboratório onde foram fabricadas, que é útil no round robin, testes de confiabilidade14 ou para obter medições de certificados do dispositivo desempenho15. Estas câmaras são também particularmente útil para estudar os efeitos da introdução de contaminantes para os ensaios de degradação controlada, com simples modificações. O uso de impressão 3D permite uma significativa, rápida adaptabilidade para mudar layouts de dispositivo, tamanhos, ou exigências de teste.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os passos críticos em recriar este experimento incluem a impressão das câmaras para evitar rachaduras, lacunas ou pobres características no preenchimento que podem diminuir o WVTR, selagem da câmara para evitar qualquer infiltração de umidade e oxigênio apertando o gancho da KF50 alcançar uma vedação completa entre as câmaras superiores e inferiores, usando um epóxi de baixa pressão vácuo-avaliado em torno os pinos de contacto ou qualquer feedthroughs para impedir qualquer vazamento e criar um selo entre a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem Peter Jonosson e o Lyons novo centro de mídia para a impressão 3D das câmaras. Esta pesquisa foi apoiada pelo 436100-2013 RGPIN, ER15-11-123, o McMaster Dean de engenharia excelência graduação verão Research Award e o programa de oportunidades de pesquisa de graduação.
Materials
| ORION DELTA DESKTOP 3D PRINTER RTP | SeeMeCNC | 87999 | Known in Report As: 3D Printer |
| 1.75 mm PLA Filament | SeeMeCNC | 50241 | Known in Report As: PLA |
| Somos® WaterShed XC 11122 chamber | Somos | printed at Custom Prototypes, Toronto. | https://www.dsm.com/products/somos/en_US/products/offerings-somos-water-shed.html Known in Report As: Water resistant polymer |
| CURA | CURA | https://ultimaker.com/en/products/cura-software Known in Report As: slicing software |
|
| Soldering iron with 600° F tip | Weller | WTCPT | |
| Xtralien X100 Source Measure Unit | Ossila | E561 | Known in Report As: SMU |
| ZIF Test Board for Pixelated Anode Substrates | Ossila | E221 | Known in Report As: Zero insetion force/ZIF Test Board; |
| BNC Cable | |||
| Generic USB A – B | |||
| Generic USB A – Micro | |||
| #12 O-Ring | Source unkown Known in Report As: o-ring |
||
| 116 Butyl O-Ring | Global Rubber Products | 116 VI70 | Bought in-store Known in Report As: o-ring |
| Retaining ring | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Bottom Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| Top Chamber | McMaster | NA | 3D printed in-house |
| KF50 Cast Clamp (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-C | |
| KF50 Centering Ring (Aluminum) | Kurt J. Lesker | QF50-200-BRB | |
| Sn60/Pb40 Solder | MG Chemicals | 4895-2270 | |
| #4-40 x 3/16" machine screw | Hardware store | ||
| #4-40 IntThrd Brass TaperSingleVane Insert For Thermoplastic | Fastenal | 11125984 | Fastenal requires to be affiliated with company/university Known in Report As: #4-40 brass tapered threaded insert |
| Varian Torr Seal Vacuum Equipment High Vacuum Epoxy | Vacuum Products Canada Inc. | Known in Report As: low-pressure epoxy | |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes HEADED RADIUS | Mouser Electornics | 818-S-100-D-3.5-G | Known in Report As: pogo pin |
| Smiths Interconnect/IDI Contact Probes Receptacle Solder Cup | Mouser Electornics | 818-R-100-SC | Known in Report As: solder cup |
| 1/4" Teflon Tubing | Hardware store | ||
| Teflon tape | Hardware store | ||
| 1/4" Tube x 1/8" Male NPT Nickel Plated Brass Push-to-Connect Connector | Fastenal | 442064 | Not the same ones used for this study, but are fuctionally equivalent Known in Report As: push-to-connect pneumatic connector |
| 1/8" NPT Tap and T-wrench | Hardware store | ||
| 1/4" Tube Push-to-Connect Manually Operated Valves | Fluidline | 7910-56-00 | Known in Report As: manually operated push-to-connect valves |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (small) | Digi-Key | 385 | Known in Report As: internal humidity sensor |
| Adafruit DHT22 Humidity Sensor (large) | Digi-Key | Known in Report As: external humidity sensor | |
| Arduino Uno | Arduino | ||
| Glovebox environment | |||
| 10 kOhm Resistor | |||
| Oscilla Xtralien Scientific Python IDE | Oscilla | https://www.ossila.com/pages/xtralien-scientific-python Known in Report As: Python IDE |
References
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