Полимерные светодиоды ближнего ИК-диапазона на основе инвертированной конструкции

Аннотация

Полимерные светодиоды ближнего ИК-диапазона (NIR-PLED) обладают огромным потенциалом во многих областях: от приборов ночного видения до оптических коммуникаций. В данной работе было получено ближнее ИК-излучение от нормальных красных флуоресцентных светодиодов с инвертированной структурой с помощью эффекта микрорезонатора. Путем настройки толщины излучающего слоя инвертированный светодиод NIR-PLED на основе PPF-FSO15-DHTBT10 и MEH-PPV получил излучение в ближнем инфракрасном диапазоне с основным пиком, расположенным на 700 и 706 нм, и максимальной внешней квантовой эффективностью (EQE_макс) 0.54% и 1.03% соответственно. Увеличение толщины излучающего слоя вызвало относительное изменение области рекомбинации, что привело к контролируемому сдвигу спектра электролюминесценции (ЭЛ) в инвертированном устройстве. Эти результаты показывают, что настройка спектра ЭЛ, используемая в устройствах с инвертированной структурой, была бы многообещающим методом для реализации излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Введение

Помимо применения в видимой области, органические светоизлучающие диоды (OLED) потенциально можно использовать в приложениях, работающих в ближней инфракрасной области, например, в устройствах ночного видения, оптических датчиках и оптических средствах связи, также привлекает всё больший интерес. Однако большинство пленочных OLED в ближней инфракрасной области (NIR-OLED) имеют низкую эффективность из-за малой доли излучающих экситонов и более низкого квантового выхода флуоресценции. Большинство из них основано на флуоресцентных материалах, внешняя квантовая эффективность (EQE) которых ниже 1%. Чтобы полностью использовать триплетные экситоны, фосфоресцентные и флуоресцентные материалы на основе теории термически активируемой замедленной флуоресценции (TADF), были последовательно разработаны: теория локальной гибридизации и переноса заряда (HLCT) и триплет-триплетная аннигиляция (TTA). Эффективность NIR-OLED на основе этих новых системных материалов несколько улучшилась, наряду с довольно серьезным снижением квантового выхода. Проблема низкого квантового выхода, вызванная большим количеством безизлучательных переходов в материале с малой шириной запрещенной зоны, особенно для материалов в ближнем инфракрасном диапазоне, до сих пор не решена. Этот вид внутреннего тушения привел к появлению подавляющего большинства материалов, излучающих в ближней ИК-области с квантовым выходом менее 20%, что ограничивает дальнейшее совершенствование NIR-OLED с точки зрения теории. Кроме того, учитывая сложный химический синтез и использование редкого металла иридия, устойчивое производство с низкой стоимостью в будущем кажется сложной задачей.

Данная конструкция продемонстрировала альтернативное решение этих проблем с помощью эффекта микрорезонатора, путем контроля толщины излучающего слоя для получения различного излучения. Традиционная структура микрорезонатора, называемая резонатором Фабри-Перо, обычно состоит из отражающего и полупрозрачного электродов и излучающего слоя. Обычно полупрозрачный электрод представляет собой тонкий серебряный электрод или распределенные Брэгговские отражатели (РБО). Следовательно, без дополнительного полупрозрачного электрода для обычного PLED (CPLED), когда дырка и электрон вводятся со стороны оксида индия олова (ITO) и металлического электрода соответственно, эффект микрорезонатора в большинстве материалов (p-типа) наблюдаются редко. В этом случае область рекомбинации была приблизительно равна размеру металлического электрода, и меньшая разница в оптическом пути между фотоном, отраженным обратно от отражающего электрода, и фотоном, испускаемым непосредственно из стеклянной подложки, не удовлетворяла бы требованиям оптической интерференции. Было только несколько случаев, когда для устройства CPLED наблюдались эффекты микрорезонатора, и все они обладали той же функцией, то есть использовались материалы n-типа в качестве излучающего слоя. В этих условиях зона рекомбинации находится далеко от металлического электрода, а относительное расположение меняется в зависимости от толщины излучающего слоя, из-за чего происходит сдвиг спектра ЭЛ. Однако структура CPLED сильно ограничивала типы излучающих материалов, учитывая, что большинство из них являются материалами p-типа. По сравнению с CPLED, инвертированные светодиоды (IPLED) имеют противоположное направление инжекции заряда, из-за чего рекомбинации происходит вдали от металлического электрода для материалов p-типа. Следовательно, IPLED должен быть идеальной конфигурацией устройства для регулирования и контроля спектров ЭЛ. Фактически, согласно предыдущим отчетам, регулируя толщину слоя переноса дырок или излучающего слоя в IPLED, спектры электролюминесценции перестраивались в широком диапазоне, показывая красный и синий сдвиг, и, таким образом, есть мотивация для получения излучения в ближнем ИК-диапазоне за счет использования материала с высоким квантовым выходом красного света, вместо материалов с низким уровнем квантового выхода в ближнем ИК-диапазоне в качестве излучающего слоя с инвертированной структурой.

В данном исследовании используется красный флуоресцентный материал (PF-FSO10: PPF-FSO15-DHTBT10) и MEH-PPV в качестве излучающего слоя соответственно, чтобы получить высокоэффективное излучение в ближней ИК-области, регулируя толщину слоев с помощью инвертированной структуры устройства, что создает новый способ получения излучения в ближнем ИК-диапазоне.

Экспериментальный раздел

Материалы

Поли (дибензотиофен-S, S-диоксид-со-9.9-диоктил-2.7-флуорен) (PF-FSO10) (Mn = 133000 г · моль^-1, PDI = 2.7) и поли (9.9 бис ( 4- (2-этилгексилокси) фенил) -2.7-флуорен-со-3.7-дибензотиофен-S, S-диоксид-со-5.5 '- (4.7-ди (4-гексилтиен-2- ил)-бензотиадиазол)) (PPFFSO15-DHTBT10) (Mn = 29700 г/моль^-1, PDI = 2.9) были синтезированы в соответствии с описанными процедурами. Ацетат, дегидрат цинка, полиэтиленимин (PEIE) и поли [2-метокси-5- (2’-этилгексилокси) -1.4-фениленвинилен] (MEH-PPV) были приобретены у Sigma-Aldrich.

Изготовление устройства и размеры

IPLED: стеклянные подложки ITO с листовым сопротивлением 15-20 Ом/квадрат были последовательно очищены в ультразвуковой ванне в ацетоне, детергенте, деионизированной воде и изопропаноле. Слой из ZnO и PEIE был приготовлен в соответствии с предыдущими отчетами. Раствор излучающего слоя был приготовлен путем смешивания раствора PF-FSO10 (10-16 мг/мл^-1) и PPF-FSO15-DHTBT10 (15 мг/мл^-1) с массовым соотношением 1:0.12. Эмиссионный слой наносился с помощью центрифуги из раствора п-ксилола с образованием однородной пленки с широким диапазоном толщины от 60 до 236 нм поверх слоя PEIE, затем слой отжигался при 100 °C на горячей плите в течение 20 мин. Наконец, 10 нм MoO₃, а затем 120 нм алюминия были термически испарены через теневую маску при базовом давлении 2.0×10^-6 мбар с образованием катода. Перекрытие между катодом и анодом определяло область пикселя 16 мм^-2.

CPLED: слой PEDOT толщиной 40 нм: PSS наносился с помощью центрифуги непосредственно на подложку ITO после обработки кислородной плазмой, а затем отжигался при 120 °C на горячей плите в течение 20 мин. PF-FSO10: 12% эмиссионный слой PPF-FSO15-DHTBT10 наносился центрифугированием в п-ксилоле для образования однородной пленки поверх слоя PEDOT:PSS, затем он отжигался при 100 °C на горячей плите в течение 20 мин. Наконец, 1.5 нм CsF, а затем 120 нм алюминия были термически испарены через теневую маску при базовом давлении 2×10^-6 мбар, чтобы сформировать электрод.

Дырочные и электронные слои: структуры были следующие: ITO/PEDOT:PSS/PF-FSO10: 12% PPF-FSO15-DHTBT10 (80 нм)/MoO₃/Al и ITO/ZnO/PEIE/PF-FSO10:12% PPF-FSO15-DHTBT10 (80 нм)/CsF/Al соответственно. Для устройства только с дырками подготовка из PEDOT:PSS и излучающего слоя выполняется так же, как и для устройства CPLED. Наконец, 10 нм MoO₃, а затем 120 нм алюминия были термически испарены через теневую маску при базовом давлении 2.0×10^-6 мбар с образованием катода. Для устройства, предназначенного только для электронов, стеклянная подложка ITO была осаждена слоем ZnO/PEIE, излучающий слой и электрод CsF/Al выполняются по той же процедуре, что и устройство CPLED.

Толщина пленки, обработанной раствором, определялась профилометром Tencor Alpha-step 500 Surface. Толщина MoO₃ и Al контролировалась кварцевым кристаллом Sycon STM-100/MF. Характеристики плотности тока, яркости и напряжения (J–L–V соответственно) измерялись в азотном сухом боксе с использованием источника измерительного блока Keithley 236 и откалиброванного кремниевого фотодиода. Спектры ЭЛ и цветовые координаты CIE регистрировали с помощью спектрофотометра PR-705 Spectrascan (Photo Research). Спектры поглощения в УФ-видимой области и спектры фотолюминесценции (ФЛ) регистрировали с использованием спектрофотометра SHIMADZUUV-2600 и спектрофлуориметра HORIBA Scientific fluoromax-4 соответственно. Квантовые выходы фотолюминесценции измеряли с помощью интегрирующей сферы IS080 (LabSphere) для сбора излучаемого света во всех направлениях при возбуждении He-Cd-лазером с длиной волны 325 нм (MellesGriot).

Оптическое моделирование спектров ЭЛ проводилось с помощью программы для моделирования оптики OLED (ExpertOLED). Дисперсия показателя преломления материалов активного слоя и электродов была предоставлена программой для моделирования (стеклянная подложка, ITO, PEDOT:PSS, CsF, Al) или взята из литературы (PF-FSO10, MoO₃, ZnO, PEI). Область настройки рекомбинации расположена на границе раздела между электронно-инжектирующим слоем (PEIE, CsF) и эмиссионным слоем.

©LINKGLOBAL21 Co., Ltd.

Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором продукции LINKGLOBAL21 на территории РФ