Dispositivos emissores de luz orgânicos fosforescentes de três camadas eficientes sem camada de modificação de eletrodo e seu mecanismo de trabalho

Resumo

Atualmente, várias camadas funcionais são introduzidas para melhorar a injeção de portadores e equilibrar o transporte de portadores em dispositivos emissores de luz orgânicos (OLEDs). Embora possa ser uma boa maneira de aumentar a eficiência dos dispositivos, a introdução de camadas funcionais também resultaria em um processo extra e um longo período de fabricação. Na verdade, com o enriquecimento do sistema de materiais, muitos materiais apropriados poderiam ser escolhidos para compartilhar duas ou até mais funções em OLEDs. Aqui, por meio de espectroscopia de impedância e análise de eletroluminescência transiente, di- [4- ( N , N -ditolil-amino) -fenil] ciclohexano (TAPC) e 4,7-difenil-1,10-fenantrolina (Bphen) são demonstrados para servir como injeção de transportador e camadas de transporte simultaneamente. Como resultado, OLEDs de três camadas eficientes são obtidos com desempenhos comparáveis aos dispositivos convencionais de várias camadas. Outros estudos também foram realizados para analisar os mecanismos de recombinação e extinção em dispositivos. O TAPC pode bloquear elétrons de forma eficaz, enquanto o Bphen evita o acúmulo de lacunas. Faz com que os portadores na camada emissora se tornem mais equilibrados, resultando na redução do roll-off de eficiência.

Histórico

Todos sabem que os dispositivos orgânicos emissores de luz (OLEDs) têm atraído considerável atenção para iluminação de estado sólido, telas coloridas e assim por diante. Uma boa quantidade de camadas funcionais, como a camada de modificação de ânodo (AML), camada de modificação de cátodo (CML), camada de bloqueio de buraco (HBL) e camada de bloqueio de elétron (EBL), foram introduzidas nos OLEDs para atingir alta -eficiência e baixa tensão de ativação. O AML e CML são usados para aumentar o buraco ou injeção de elétrons, respectivamente [1, 2]. Enquanto o HBL e o EBL podem bloquear de forma eficiente a difusão do exciton da camada luminescente para a camada de transporte [3]. Obviamente, a estrutura de várias camadas se torna uma forma freqüentemente usada para melhorar o desempenho do dispositivo. Porém, como uma camada a mais significa um processo extra de preparação, o excesso de camadas funcionais também causaria o longo período e o alto custo que limitam o desenvolvimento de sua industrialização. Com o aprimoramento do sistema de material orgânico, alguns materiais podem desempenhar várias funções nos OLEDs devido às suas propriedades proeminentes. Por exemplo, o complexo ácido desoxirribonucléico-cetiltrimetilamônio pode atuar como camadas transportadoras de orifícios (HTL) por causa da alta mobilidade dos orifícios, enquanto o nível de energia orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) o torna adequado para o EBL [4]. 4,4 ′, 4 ″ -Tris (carbazol-9-il) -trifenilamina (TCTA) é geralmente usado para ser HTL; além disso, ele também pode servir como o hospedeiro na camada emissora (EML) por causa de sua alta energia triplete [5, 6]. Assim, é possível simplificar a estrutura sem sacrificar o desempenho do dispositivo, escolhendo o material adequado. No entanto, poucos estudos foram realizados em OLEDs brancos fosforescentes (PHWOLEDs) com estrutura simples [7, 8].

Mais recentemente, as características de capacitância baseadas na medição de espectroscopia de impedância (IS) têm sido uma ferramenta amplamente utilizada para investigar os mecanismos físicos de OLEDs. Foi relatado que o ponto de inflexão do primeiro pico nas curvas de capacitância-voltagem (C-V) corresponde à voltagem de ativação dos OLEDs. É também uma sonda muito sensível de acúmulo de carreadores causados pela barreira na interface das camadas orgânicas ou pelo desequilíbrio de injeção de carga e transporte em dispositivos [9,10,11,12,13,14,15,16,17]. Enquanto isso, a eletroluminescência transitória (EL) também tem sido objeto de intensa pesquisa tecnológica e fundamental, porque os estudos de EL transitória geraram percepções sobre o mecanismo de funcionamento interno dos OLEDs. O EL transiente é investigado conduzindo os dispositivos com pulsos de tensão retangulares curtos. Os tempos de resposta obtidos a partir das características transitórias de EL dos dispositivos fornecem um critério essencial para a sua aplicação [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28].

Neste artigo, via espectroscopia de impedância e análise transiente, confirmamos que di- [4- ( N , N -ditolil-amino) -fenil] ciclohexano (TAPC) e 4,7-difenil-1,10-fenantrolina (Bphen) podem ser usados para desempenhar funções múltiplas em OLEDs. Combinado com material de transporte bipolar 4,4′- N , N ′ -Dicarbazol-bifenil (CBP), fabricamos PHOLEDs de três camadas eficientes. Obviamente, o desempenho do OLED de três camadas é comparável ao dos OLEDs de várias camadas comuns e ainda possui melhor filtragem de eficiência. É interpretado pelo modelo matemático de mecanismos de extinção de excitons. Posteriormente, nos concentramos na recombinação de portadores e mecanismos de extinção de excitons que ocorreram em dispositivos fosforescentes monocromáticos, a fim de prosseguir com a otimização da estrutura. Com a existência de Langevin e recombinação assistida por armadilha em tris (2-fenilpiridina) dopado com CBP irídio [Ir (ppy) ₃ ] e irídio (III) bis- (2-metildibenzo- [f, h] quinoxalina) (acetilacetonato) [Ir (MDQ) ₂ (acac)], dois mecanismos de extinção de excitons, ou seja, aniquilação tripleto-tripleto (TTA) e aniquilação tripleto-polaron (TPA), podem ser observados através do modelo matemático.

Métodos / Experimental

Fabricação de dispositivos

Os pequenos materiais orgânicos moleculares usados em nossos experimentos são adquiridos da Luminescence Technology Corporation, isto é, TAPC, Bphen, 1,3,5-tri (m-pirid-3-il-fenil) benzeno (TmPyPB) e CBP. O dopante fosforescente Ir (ppy) ₃ , Ir (MDQ) ₂ (acac) e bis [(4,6-difluorofenil) -piridinato-N, C ² ′] (Picolinato) Ir (III) (FIrpic) e poli (3,4-etilenodioxitiofeno) -poli (estireno sulfonato) (PEDOT:PSS, PH8000) são obtidos de Xi’an p-OLED. Assim, todos os materiais e solventes estão disponíveis comercialmente e são usados como recebidos sem purificação adicional.

Todos os dispositivos são preparados em substratos de vidro cobertos com faixas padronizadas de óxido de estanho e índio (ITO). Antes da deposição do filme, os substratos de vidro ITO são submetidos a um processo de limpeza de rotina com enxágue em Decon 90, água desionizada, secagem em estufa e, finalmente, tratamento em câmara de limpeza de plasma por cerca de 5 min. Os filmes PEDOT:PSS são fabricados por spin coating a partir de solução aquosa antes de serem depositados com a espessura de aproximadamente 40 nm, e então os filmes PEDOT:PSS são todos recozidos a 120 ° C por 10 min.

Todas as camadas orgânicas e cátodo são evaporados por deposição de vapor térmico usando filamento de tungstênio aquecido resistivamente e barcos de metal sob alto vácuo (~ 5 × 10 ⁻⁴ Pa) a uma taxa de 1–2 Å s ⁻¹ monitorado in situ com um oscilador de quartzo. O cátodo que usamos em nossos experimentos é a liga de Mg:Ag (15:1), que é controlada independentemente por monitores de deposição de filme fino separados, assim como o processo de dopagem em EML. Finalmente, quatro áreas ativas dos dispositivos em cada substrato tinham 10 mm ² , que é decidido pela sobreposição entre o ânodo e o cátodo através do uso de uma máscara de sombra [24, 25].

Caracterizações

As características de luminância - densidade de corrente - voltagem e espectros de dispositivos não embalados são medidos simultaneamente usando o Sistema de Medição Goniofotométrica baseado em espectrômetro (GP-500, Otsuka Electronics Co. Osaka, Japão) no ar em temperatura ambiente.

Para a medição de queda de tensão transiente, diodo de comutação de alta velocidade (Philips, 1N4531) e gerador de forma de onda arbitrária (Rigol, DG5102) são conectados com nossos dispositivos em série, e a tensão transiente dos dispositivos é registrada por um osciloscópio digital (Rigol , DS4054) após uma média de sinal consecutiva. Na medição de EL transiente, os dispositivos testados são acionados por tensão pulsada com uma largura de pulso de 1 ms usando gerador de forma de onda arbitrária (Rigol, DG5102) como uma chave elétrica para acionar dispositivos testados e um sinal de gatilho para iniciar a coleta de sinais EL. A resposta EL transitória foi detectada e coletada usando um fotodiodo de avalanche (C30902) e um sistema de contagem de fóton único correlacionado com o tempo.

As características de capacitância-tensão (C-V) são medidas com um analisador de impedância (TH2829C, Changzhou Tonghui Electronic Co., Ltd., China) com amplitude de oscilação de 100 mV e taxa de repetição de 1 kHz. A faixa de polarização dc aplicada por esta configuração permite a varredura de 0 a + 10 V [26].

Resultados e discussão

OLEDs eficientes simplificados sem AML

Para nos livrarmos da AML, escolhemos o TAPC como HTL em OLEDs verdes fosforescentes, porque o nível de energia dos orbitais moleculares mais ocupados (HOMO) é semelhante à função de trabalho do ITO [5]. Realizamos experimentos contrastivos em um ITO / x / CBP:10% em peso Ir (ppy) ₃ (30 nm) / TmPyPB (50 nm) / LiF (0,5 nm) / Mg:Ag (120 nm) OLEDs, enquanto a estrutura de x é TAPC (50 nm), MoO ₃ (3 nm) / TAPC (50 nm) e PEDOT:PSS (50 nm) / TAPC (50 nm), respectivamente. Para diferenciar os três dispositivos, nós os marcamos como D ₁ , D ₂ e D ₃ em turnos. Em primeiro lugar, investigamos a capacidade de injeção de orifício desses dispositivos, analisando suas características de capacitância-tensão e densidade de corrente-tensão-luminância. Como podemos ver na Fig. 1a, a tensão de ativação dos três dispositivos é de cerca de 3 V. É relevante para o máximo do primeiro pico em suas características de capacitância-tensão, indicando que não faz diferença para a ativação. na tensão sem AML em D ₁ [9,10,11]. A Figura 1b mostra as características de densidade de corrente (JV) dos três dispositivos em escala log-log, dividimos as curvas JV em três regiões, (I) vazamento ou corrente limitada por difusão causada por contato ôhmico, (II) volume- corrente controlada com uma distribuição exponencial de armadilhas, e (III) corrente controlada por volume com armadilhas parcialmente preenchidas [20]. A maior densidade de corrente do dispositivo D ₃ a baixa tensão aplicada na região I pode ser atribuída à corrente de fuga causada pela morfologia do filme rugoso de filmes PEDOT:PSS processados em solução. Além disso, o deslocamento para a direita do ponto de viragem entre a região I e a região II (de A para A ”) apresenta a injeção de portador mais forte em D ₁ , enquanto o valor de capacitância mais alto de D ₁ indica que mais furos são injetados no dispositivo e então se acumulam na interface ou bulk [29]. Obviamente, a interface de ITO / TAPC mostra uma melhor capacidade de injeção de orifício. Também podemos descobrir que a densidade atual de D ₁ é maior que os valores dos outros dois dispositivos com o aumento da tensão aplicada. Pode ser atribuído à camada dipolo gerada entre as interfaces ITO / TAPC. Após a introdução de uma LMA extra, a camada dipolo intrínseca é quebrada, resultando na capacidade de injeção mais fraca entre os dois dispositivos [10, 30]. Nas referências relatadas, o AML pode ser usado para reduzir a densidade da armadilha que pode ter um impacto na estabilidade do dispositivo [31]. Para D ₁ , a inclinação da curva J-V na região III ( m =11) é maior do que os valores de D ₂ e D ₃ ( m =7, 8), o maior valor de m sempre significa maior densidade de trapping [18]. A maior densidade de trapping do dispositivo D ₁ pode ser atribuído à alteração da morfologia do filme TAPC devido à falta de camada umectante, como MoO ₃ ou PEDOT:PSS. Além disso, os pontos de viragem C e C 'mostrados na Fig. 1 são relevantes para o rápido aumento da injeção de elétron com o aumento da tensão de polarização.

a Características de capacitância-tensão-luminância (C-V-L) de D ₁ , D ₂ e D ₃ . A linha contínua laranja mostra a tensão de ativação correspondente ao máximo do primeiro pico em suas características C-V. b Curvas de densidade-tensão de corrente dos três dispositivos em escala log-log, adicionalmente divididas em três regiões marcadas por linhas tracejadas roxas marcadas I, II e III. A densidade de corrente (J) e a voltagem (V) estão de acordo com a relação de \ (J \ propto {aV} ^ m \)

Um estudo adicional é realizado para pesquisar a injeção de portador dos dispositivos acima pelas características de descarga de tensão transiente. O circuito de teste é mostrado na Fig. 2a. Dois tempos de resposta são observados na Fig. 2b sob a tensão aplicada de 5 V. O tempo de decaimento rápido τ ₁ é de cerca de 100 μs na inserção da Fig. 2b. Então, uma decadência mais lenta seguida τ ₂ é maior do que uma ordem de magnitude ( τ ₂ está na escala de milissegundos) [7]. O diodo é considerado um fio quando o gerador fornece tensão positiva. Os portadores de carga podem ser transferidos para o dispositivo facilmente e, em seguida, com a barreira de injeção do portador, há um certo número de buracos e elétrons acumulados na interface entre as camadas orgânicas, ânodo e cátodo, respectivamente. O diodo torna-se uma resistência infinita inversamente quando a voltagem aplicada passa a ser negativa. Os portadores de carga não podem alcançar o dispositivo, então os orifícios residuais na interface de ITO / camada orgânica podem fluir através das camadas orgânicas e neutralizar os elétrons remanescentes difundidos ou desviados por cargas espaciais da interface do cátodo. Portanto, a tendência de baixa de dois tempos de resposta, especialmente o τ ₁ são determinados pela injeção de orifício e capacidade de transporte das camadas orgânicas em nossos dispositivos de contraste. É óbvio que a voltagem de D ₁ cai nas taxas mais rápidas, representando uma excelente capacidade de injeção de orifício apenas com a estrutura de ITO / TAPC. Como as resistências das resistências internas em nossas amostras atingem a magnitude de MΩ, a influência do osciloscópio com resistência de 1 MΩ não pode ser ignorada. É por isso que apenas uma pequena distinção pode ser vista nas três tendências de baixa de τ ₂ [21, 22].

a Circuito de teste de medição de características de descarga de tensão transiente. b Características de decaimento de tensão transiente resolvido por tempo em 5 V ( D ₁ , D ₂ e D ₃ ) [Detalhe:um tempo de decaimento rápido τ ₁ ≈ 100 μs. A seta laranja tracejada mostra diferentes taxas de queda dos dispositivos]. c Tensão de ativação ( V _em ) de S ₁ , S ₂ , e S ₃ [Detalhe:curvas de luminância-tensão]. d Intensidade de eletroluminescência resolvida com tempo (EL) normalizada de S ₁ , S ₂ , e S ₃ a 9 V. (A linha tracejada laranja mostra o tempo de início de EL dos dispositivos que é cerca de 0,32 μs, 1,05 μs e 0,48 μs, respectivamente)

OLEDs eficientes simplificados sem CML

Posteriormente, projetamos um novo experimento contrastivo com a simplificação do ETL. Conforme descrito na referência relatada por Scholz et al. [32], os adutos doador-aceitador metal-orgânico [Bphen + Ag] ⁺ e [2Bphen + Ag] ⁺ irá se formar na interface Ag-on-BPhen devido a um efeito de autodopagem. Nossos resultados experimentais anteriores também indicaram que esses adutos metal-orgânicos irão melhorar a injeção de elétrons de Mg:Ag (15:1) para Bphen. Portanto, Bphen é escolhido para ser o material de transporte de elétrons experimental apropriado aqui. A estrutura é ITO / TAPC (50 nm) / CBP:10% em peso Ir (ppy) ₃ (30 nm) / y / Mg:Ag (120 nm). O y é TmPyPB (50 nm) / LiF (0,5 nm), TmPyPB (50 nm) e Bphen (50 nm). S ₁ , S ₂ , e S ₃ são definidos como as três amostras, respectivamente. A Figura 2c mostra as características de ativação dessas três amostras. Pode ser visto que S ₃ tem a mesma tensão de ativação ( V _em =3 V) com S ₁ , as características de luminância-voltagem de S ₃ também são semelhantes aos de S ₁ na inserção da Fig. 2c. Assim, concluímos que a estrutura simples em S ₃ possui grande capacidade de injeção de elétrons, que está no mesmo nível de S ₁ . Além disso, podemos investigar a capacidade de injeção de portadora dos três dispositivos, discutindo o comportamento resolvido no tempo do EL transiente. As linhas tracejadas na Fig. 2d mostram que os tempos de início de EL dos dispositivos S ₁ , S ₂ , e S ₃ são cerca de 0,32 μs, 1,05 μs e 0,48 μs, respectivamente. O tempo de início de EL também é chamado de tempo de atraso ( t _d ) É composto pelo tempo de injeção t _inj e tempo de transporte t _trans . A maior tensão de limite V _th resulta diretamente no t mais longo _inj . Portanto, é fácil provar que S ₃ também pode possuir excelente capacidade de injeção de elétrons [23,24,25].
$$ {t} _d ={t} _ {\ mathrm {inj}} + {t} _ {\ mathrm {trans}} $$ (1) $$ {t} _ {\ mathrm {inj}} =RC \ ln \ left (\ frac {V _ {\ mathrm {max}}} {V _ {\ mathrm {max}} \ hbox {-} {V} _ {\ mathrm {th}}} \ right) $$ (2 ) $$ {t} _ {\ mathrm {trans}} =\ frac {d_e} {\ left ({\ mu} _e + {\ mu} _f \ right) E} $$ (3)

Comparação de desempenho entre OLEDs simples e multicamadas

Finalmente, FOLED verde simples com uma estrutura de três camadas é obtido como mostrado na Fig. 3a, isto é, ITO / TAPC (50 nm) / CBP:10% em peso Ir (ppy) ₃ (30 nm) / Bphen (50 nm) / Mg:Ag (120 nm) (dispositivo 3). Além disso, o dispositivo 1 e o dispositivo 2 foram fabricados como contraste. O primeiro tem camadas extras funcionais:MoO ₃ (3 nm) e LiF (0,5 nm) servindo como AML e CML, respectivamente, enquanto o último apenas introduz um filme fino de LiF. A Figura 3b, c mostra as características de densidade-tensão-luminância de corrente (J-V-L) e as características de eficiência de corrente-luminância-eficiência quântica externa (CE-L-EQE) dos três dispositivos. Embora a densidade de corrente e a luminância do dispositivo 3 sejam menores do que as dos outros dois dispositivos, conforme mostrado na Fig. 3b, a mesma voltagem de ativação também pode ser observada. Isso indica que a injeção de portador não foi influenciada pela simplificação das camadas de modificação do eletrodo. No entanto, é confuso que a eficiência do dispositivo 3 mostra um roll-off mais baixo na Fig. 3c.

a Diagrama da estrutura dos três dispositivos. b Curvas de densidade-tensão-luminância de corrente (J-V-L). c Curvas de eficiência de corrente-luminância-eficiência quântica externa (CE-L-EQE)

Para explicar a existência de um melhor roll-off de eficiência no dispositivo 3, simulamos então o mecanismo de extinção de exciton por meio do modelo matemático com a função entre o EQE e J. Existem dois mecanismos de extinção de exciton existentes nos PHOLEDs, ou seja, tripleto-tripleto aniquilação (TTA) e aniquilação tripleto-polaron (TPA). A equação da taxa no modelo é mostrada da seguinte forma:
$$ {K} _L =\ frac {q \ left ({\ mu} _e + {\ mu} _h \ right)} {\ varepsilon_0 + {\ varepsilon} _r} $$ (4) $$ \ frac {dn_T} { dt} ={K} _L {n_P} ^ 2- {K} _T {n} _T- \ frac {1} {2} {K} _ {TT} {n_T} ^ 2- {K} _ {TP} {n} _T {n} _P $$ (5) $$ \ frac {dn_P} {dt} =\ frac {J} {qw} - {K} _L {n_P} ^ 2 $$ (6) $$ \ mathrm {IQE} ={K} _T {n} _T / \ left (\ frac {J} {qw} \ right) $$ (7)
Para a Eq. (4), consideramos que os portadores de carga recombinam via recombinação Langevin com a taxa K _L , onde q é a carga elementar, μ _{e / h} é a mobilidade, ε _r é a permissividade relativa, e ε ₀ é a permissividade do espaço livre. As densidades tripla e polaron, n _T e n _P , foram calculados pelas Eqs. (5) e (6), onde K _TT e K _TP são as constantes de taxa que descrevem a cinética do processo TTA e TPA. Na verdade, a eficiência quântica interna (IQE) é a proporção de tripletos de decaimento radiativo sobre o número de elétrons injetados da Eq. (7). Para simplificação, não consideramos o outcoupling de luz. Além disso, a eficiência elétrica e a eficiência quântica PL em baixa densidade de corrente são definidas como 1. Portanto, o IQE calculado é usado para comparar com o EQE experimental [33].

Como podemos ver na Fig. 4b-d, existia um sério efeito de extinção e extinção no dispositivo 1 e no dispositivo 2, especialmente TPA. CBP é um material de transporte bipolar, mas a mobilidade do buraco é uma ordem de magnitude maior do que a mobilidade do elétron. Combinado com os diagramas de nível de energia esquemáticos na Fig. 4a, a zona de recombinação deve ser adjacente à interface de EML / ETL. Além disso, descobrimos que os níveis de energia HOMO e LUMO de Bphen são semelhantes aos de CBP; portanto, é mais fácil para os furos atravessarem a camada CBP para o Bphen e poucos furos são acumulados na interface entre o CBP e o Bphen. Quanto ao dispositivo 1 e dispositivo 2, uma lacuna de energia maior entre TmPyPB e CBP também pode ser vista na Fig. 4a, resultando em um acúmulo de orifício extra na interface de CBP / TmPyPB. A diferente acumulação de orifícios na interface de CBP / TmPyPB faria diferentes influências nos excitons formados na mesma interface, resultando finalmente em diferentes TPA de dispositivos.

a Diagramas esquemáticos de nível de energia dos três dispositivos. A eficiência quântica interna simulada (IQE) (linha sólida verde ou vermelha) e a eficiência quântica externa (EQE) (ponto espalhado) atuam como uma função da densidade de corrente. As densidades de tripleto e polaron (linhas vermelhas e pretas) são calculadas de acordo com as Eqs. (4) - (7). As áreas tracejadas indicam a contribuição relativa de TPA e TTA, bem como da emissão para o decaimento geral do exciton. b - d correspondem ao dispositivo 1, dispositivo 2 e dispositivo 3, respectivamente

Análise do mecanismo de recombinação de exciton em PHOLEDs monocromáticos

Como todos nós sabemos que a baixa concentração de moléculas dopantes fosforescentes leva à longa distância intermolecular, geralmente acredita-se que os materiais fosforescentes atuam como armadilhas para o portador de carga. Portanto, existem dois mecanismos de recombinação em EML de PHOLEDs, recombinação Langevin I e recombinação assistida por armadilha II. Para o primeiro, quando o dispositivo é acionado por voltagem aplicada, uma massa de portadoras injeta continuamente em EML. Os furos são transferidos através do material hospedeiro, seguidos por um acúmulo na interface do EML / ETL. Por causa de uma boa combinação de níveis de energia entre ETL e cátodo, a maioria dos elétrons fluem através de ETL até EML e então recombina com a carga armazenada. Nesse caso, os excitons gerados no material hospedeiro são transferidos para o dopante pelos mecanismos de Förster e / ou Dexter; portanto, pertence à recombinação bimolecular. A última zona de recombinação está localizada em dopante devido ao aprisionamento de baixo nível de energia formado pelo hóspede fosforescente [27].

É necessário investigar os mecanismos mencionados acima. Como os diferentes tipos de recombinação desempenham um papel importante na EML, isso terá um impacto diferente no desempenho do dispositivo. A estrutura dos dispositivos com os diferentes dopantes em EML é mostrada na Fig. 5a.

a Estrutura dos dispositivos com os diferentes dopantes em EML:camada de CBP puro sem dopante, dopado com CBP 10% em peso Ir (ppy) ₃ (G) 5% em peso Ir (MDQ) ₂ (acac) (R) e 15% em peso de FIrpic (B). Intensidade normalizada de transiente EL b Ir (MDQ) ₂ (acac), c Ir (ppy) ₃ dependendo da polarização reversa (0 V, - 1 V, - 3 V e - 5 V) após a tensão aplicada desligar. A largura do pulso de tensão foi de 1 ms e a frequência de pulso foi de 100 Hz. Uma densidade de corrente de 90 mA cm ⁻² foi escolhido para ser a altura do pulso de tensão

Os comportamentos de recombinação são investigados por meio das medições de EL transitórias. A intensidade normalizada de EL transiente mostrada na Fig. 5b, c é testada mudando a polarização reversa (0 V, - 1 V, - 3 V e 5 V) após a tensão aplicada desligar, enquanto a altura do pulso de tensão corresponde a um densidade de corrente de 90 mA cm ⁻² . A largura do pulso de tensão é 1 ms e a frequência do pulso é 100 Hz. Conforme mostrado na Fig. 5b, c, o tempo de subida dos dispositivos verdes e vermelhos diminui com o aumento da polarização reversa. No entanto, esse fenômeno não ocorre nos outros dois aparelhos. A polarização reversa tiraria os portadores capturados dos locais de captura e, então, os portadores presos contribuiriam menos para a intensidade de EL. Portanto, inferimos que a recombinação assistida por armadilha provavelmente consiste em dispositivos fabricados por Ir dopado com CBP (MDQ) ₂ (acac) ou Ir (ppy) ₃ devido à existência de cargas aprisionadas [27].

Um estudo mais aprofundado da existência de cargas aprisionadas é desenvolvido por medição de espectroscopia de impedância com o resultado das curvas de capacitância-tensão mostradas na Fig. 6a. Dois picos fortes podem ser observados nas características C-V dos dispositivos verdes e vermelhos. Além disso, há apenas um pico aparente no dispositivo azul. A tensão de polarização correspondente ao primeiro pico dos três dispositivos é quase idêntica à tensão de ativação. Pode-se interpretar que os portadores de carga injetam-se constantemente nos dispositivos quando os dispositivos passam a ser acionados pela tensão aplicada, resultando no aumento da capacitância em baixa tensão. E então, para o dispositivo verde, consideramos que uma pequena quantidade dos orifícios injetados é capturada por captura via corante fosforescente. Posteriormente, eles são recombinados com elétrons do cátodo, causando a recombinação assistida por armadilha. Conseqüentemente, partes dessas cargas acumuladas começam a reduzir em aproximadamente 3 V. Fenômeno semelhante pode ser visto na curva C-V do dispositivo vermelho, a queda do primeiro pico em 3,5 V é causada por recombinação assistida por armadilha. Além disso, o pico mais alto da curva C-V de 2,5 a 5 V pode ser atribuído ao efeito de trapping mais forte no dispositivo vermelho.

a Gráficos C-V (pontos dispersos, f =1 kHz) e curvas L-V (linha sólida) para os três diferentes Ir dopado com PHOLEDs-CBP (ppy) ₃ (verde), Ir (MDQ) ₂ (acac) (vermelho) e FIrpic (azul), respectivamente. As linhas tracejadas roxas marcadas no gráfico que representam o V _em . Onde os pontos da linha das setas são os pontos de inflexão nas curvas. Diagramas esquemáticos de nível de energia em um ITO / TAPC (50 nm) / CBP:10% em peso x (30 nm) / Bphen (50 nm) / Mg:Ag (120 nm) OLED. O X é b Ir (ppy) ₃ (verde), c Ir (MDQ) ₂ (acac) (vermelho) e d FIrpic (azul). Dois mecanismos de recombinação ocorrem provavelmente em EML, marcados como I (recombinação Langevin) e II (recombinação assistida por armadilha). Além disso, o ponto azul representa o buraco, enquanto o ponto rosa é o elétron. e OLED fosforescente verde baseado em CBP:Ir (ppy) ₃ . f OLED fosforescente vermelho baseado em CBP:Ir (MDQ) ₂ (acac). As densidades de tripleto e polaron (linhas azuis e pretas) são calculadas de acordo com as Eqs. (4) - (7)

Mais buracos são injetados com o aumento da tensão aplicada; além dos presos, a maioria deles consegue armazenar na interface do EML / Bphen. Portanto, ambas as curvas C-V dos dispositivos verdes e vermelhos aumentam novamente. Neste ponto, a recombinação Langevin aconteceu no EML causando a redução dos portadores armazenados internos. Quando a taxa dissipativa de cargas excede suas taxas de injeção, as cargas acumuladas reduzem rapidamente e a curva C-V exibe uma queda acentuada. O processo de recombinação é mostrado na Fig. 6b, c. Para comparação, apenas um pico forte aparece na capacitância caracterizada do dispositivo azul, indicando que apenas a recombinação Langevin ocorre no EML. Diagramas esquemáticos de nível de energia com o mecanismo de recombinação são mostrados na Fig. 6d.

Também podemos verificar nossos resultados por meio do modelo matemático mencionado acima. É bem conhecido que o TTA é causado por alta densidade de tripletos, enquanto a alta taxa de recombinação de Langevin reduziria a densidade de tripletos. Assim, o TTA pode ser associado à recombinação Langevin. O TPA depende das características de captura de carga do sistema hospedeiro-hóspede:quando as moléculas emissoras constituem um local de captura de polarons dentro do hospedeiro, o TPA acelerado pode ser esperado [33].

A contribuição correspondente de TTA e TPA para a aniquilação geral para os dois dispositivos com o EML de CBP:Ir (ppy) ₃ e CBP:Ir (MDQ) ₂ (acac) é mostrado na Fig. 6e, f. O IQE calculado é coincidente com o EQE medido; além disso, a distinção entre as curvas IQE e EQE em baixa tensão de polarização é causada pela corrente de fuga. Para os dois dispositivos, a densidade do polaron é maior do que a densidade do tripleto quando a densidade da corrente está abaixo de 5 mA cm ⁻² . Portanto, acreditamos que existam dois processos de extinção em condição de operação, o que significa que dois tipos de recombinação ocorrem no EML. Uma porcentagem maior de TPA ocorre no dispositivo vermelho, refletindo a recombinação assistida por armadilha mais forte [33, 34].

Em termos do processo de extinção discutido acima, é óbvio que o TTA e o TPA podem diminuir drasticamente a eficiência dos OLEDs fosforescentes. Portanto, a fim de pesquisar o efeito no desempenho do dispositivo alterando o material do hospedeiro, preparamos dispositivos vermelhos com diferentes hospedeiros, ou seja, CBP, TCTA, 2,6-bis (3- (carbazol 9,9 ′ - [4 ′ - ( 2-etil-1 H -benzimidazol-1-il) -9-il) fenil) piridina [26DCzPPy] e 2,2 ′ [2 ″ -1,3,5-benzinetriil) -tris (1-fenil-1-H-benzimidazol) [TPBi ] Quando CBP é usado como o hospedeiro, o TTA e o TPA são eficientemente limitados. Portanto, o CBP é escolhido para atuar como anfitrião neste trabalho.

OLEDs brancos de camada única

Finalmente, também fabricamos WOLEDs de três camadas com as estruturas de ITO / TAPC (50 nm) / CBP:FIrpic:Ir (MDQ) ₂ (acac) (3:1:0,01) (30 nm) / Bphen (50 nm) / Mg:Ag (120 nm). A Figura 7a mostra a característica densidade-tensão-luminância de corrente (J-V-L) do dispositivo. Isso indica que nossos WOLEDs EML simples possuem uma tensão de ativação baixa abaixo de 3 V. Além disso, alcançamos uma alta eficiência de corrente de 21 cd A ⁻¹ . Os espectros EL normalizados do dispositivo na Fig. 7c mostram que a intensidade do vermelho tende a ser enfraquecida quando a voltagem de polarização aumenta de 5 para 9 V. Deve ser atribuído a que o efeito de aprisionamento da molécula do corante vermelho apenas desempenha um papel importante sob baixa tensão de polarização. Com uma luminância prática de 5840 cd m ⁻² , the CIE coordinates of devices are (0.39, 0.39), corresponding to warmish-white emission.

a Current density–voltage–luminance (J-V-L) curves of the WOLEDs. b Current efficiency–luminance–external quantum efficiency (CE-L-EQE) curves. c Normalized EL spectra of the white OLEDs. The orange arrow shows the weakened spectra versus applied voltage

Conclusões

In summary, efficient phosphorescent OLEDs have been prepared based on a simple trilayer structure (TAPC/EML/Bphen). We simplify the devices gradually via impedance spectroscopy and transient measurement. The EL performances of trilayer devices could be still comparable to the conventional devices with modification layers. Langevin recombination and trap-assisted recombination are certified to be existed in red and green phosphorescent devices by capacitance–voltage measurement. In addition, mathematical model is used to describe the TTA and TPA quenching processes, which are relevant to the two recombination types mentioned above. Based on the above analysis, we obtain the efficient WOLEDs with low roll-off. These results demonstrate an effective approach towards simplified OLED with high efficient and low cost.

Abreviações

26DCzPPy:: 2,6-Bis(3-(carbazol 9,9′-[4′-(2-ethyl-1H-benzimidazol-1-yl)-9-yl) phenyl) pyridine
AML:: Anode modification layer
Bphen:: 4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline
C:: Capacitance
CBP:: 4,4′-N , N ′-Dicarbazole-biphenyl
CE-L-EQE:: Current efficiency-luminance-external quantum efficiency
CML:: Cathode modification layer
C-V:: Capacitance–voltage
C-V-L:: Capacitance–voltage–luminance
EBL:: Electron-blocking layer
EL:: Eletroluminescência
EML:: Emitting layer
EQE:: Eficiência quântica externa
ETL:: Electron-transporting layers
FIrpic:: Bis [(4,6-difluorophenyl)-pyridinato-N,C² ′] (picolinato) Ir(III)
HBL:: Hole-blocking layer
HOMO:: Highest occupied molecular orbital
HTL:: Hole-transporting layers
IQE:: Eficiência quântica interna
Ir(MDQ)₂ (acac):: Iridium (III) bis-(2-methyldibenzo-[f, h] quinoxaline) (acetylacetonate)
Ir(ppy)₃ :: Tris(2-phenylpyridine) iridium;
IS:: Impedance spectroscopy
ITO:: Óxido de índio estanho
J-V:: Current density–voltage
J-V-L:: Current density–voltage–luminance
LUMO:: Lowest unoccupied molecular orbital
OLEDs:: Organic light-emitting devices
PEDOT:PSS:: Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate)
PHWOLEDs:: Phosphorescent white OLEDs
TAPC:: Di-[4-(N , N -ditolyl-amino)-phenyl] cyclohexane
TCTA:: 4,4′,4″-Tris (carbazol-9-yl)-triphenylamine
TmPyPB:: 1,3,5-Tri(m-pyrid-3-yl-phenyl) benzene
TPA:: Triplet-polaron annihilation
TPBi:: 2,2′[2″-1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)
TTA:: Triplet-triplet annihilation

Transistor de canal de vácuo em nanoescala à base de grafeno Telas fibrosas à base de iodo com eletrofiação in situ para curativo antibacteriano

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias