Υβριδικές οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός υψηλής απόδοσης με διεπιφανειακά υμένια σύνθετων μοριακών οξειδίων μετάλλων και μεταλλικών νανοσωματιδίων
Authors: Βερύκιος Απόστολος 
Published: April 2022

Οι οργανικές δίοδοι εκπομπής φωτός (Organic Light Emmiting Diodes, OLEDs) αποτελούνταιαπό ένα ή περισσότερα οργανικά υμένια (πολυμερικά ή μη), τα οποία εναποτίθενται μεταξύ δύοηλεκτροδίων. Την τελευταία δεκαετία, η τεχνολογία κατασκευής οργανικών διόδων εκπομπήςφωτός έχει κάνει τεράστια άλματα προόδου, με αποτέλεσμα να είναι εμπορικά διαθέσιμες απόαρκετές εταιρίες. Ωστόσο, η απόδοση και η σταθερότητα των οργανικών διατάξεων εξαρτάταιτόσο από τις ιδιότητες των ενεργών υλικών όσο και από τις διεπιφάνιές τους με τα ηλεκτρόδια.Παρά τη ραγδαία εξέλιξη στο σχεδιασμό οργανικών υλικών και στη κατασκευή αποδοτικώνδιατάξεων, δεν έχει επιτευχθεί ακόμη αντίστοιχη βελτίωση στην τροποποίηση των διεπιφανειώνηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου, με τα κριτήρια σχεδιασμού και τροποποίησης διεπιφανειών γιατην κατασκευή των διατάξεων να μην είναι σαφή.Ένα από τα βασικά ζητήματα για το σχεδιασμό των ηλεκτρικών επαφών στις οργανικέςοπτοηλεκτρονικές διατάξεις είναι η κατανόηση της ευθυγράμμισης των ενεργειακών επιπέδωνστις διεπιφάνιες ηλεκτροδίου/οργανικού ημιαγωγού. Για την επίτευξη αποτελεσματικής καιισορροπημένης έγχυσης και εξαγωγής φορέων φορτίου είναι απαραίτητη η ευθυγράμμιση τουεπιπέδου Fermi του ηλεκτροδίου με τις καταστάσεις μεταφοράς φορέων φορτίου του οργανικούημιαγωγού. Γι’ αυτό το λόγο κρίνεται αναγκαία η ενσωμάτωση ενδιάμεσων υμενίων, πουτροποποιούν τη διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/οργανικού υμενίου και επιτυγχάνουναποτελεσματικότερη ανταλλαγή φορέων μεταξύ των ηλεκτροδίων και των οργανικών μορίων.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αρχικά μελετήθηκαν μεταλλικά νανοσωματίδια πυρήνακελύφους με ελλειμματικές πολυοξομεταλλικές ενώσεις (Lacunary Polyoxometalates, POMs),ενσωματωμένα στο σύνηθες στρώμα εξαγωγής οπών σε διάφορε συγκεντρώσεις, PEDOT-PSS ωςπολυλειτουργικά ενδιάμεσα υμένια, μεταξύ της ανόδου και του οργανικού ενεργού στρώματος,για ενίσχυση της απόδοσης, της των οργανικών διόδων εκπομπής φωτός. Ενσωματώνοντας στηνπολυμερική μήτρα τα μεταλλικά νανοσωματίδια παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση στηναπόδοση.Στην συνέχεια, προχωρώντας την μελέτη για την αύξηση της απόδοσης των οργανικών διόδωνεκπομπής φωτός μελετήθηκε η επίδραση της τροποποίησης του συμπολυμερούς PEDOT-PSS με2 άλατα του τριφαινυσουλφωνίου (triphenylsulfonium salts, TPS) που αποτελούνται από το ίδιοκατίον και δύο διαφορετικά αντίθετα ανιόντα, συγκεκριμένα, το εξαφθοροαντιμονικό(hexafluoroantimonate, SBF6) και το τριφθορομεθυλοσουλφονικό (trifluoromethanesulfonate,triflate). Παρατηρήθηκες ενίσχυση της έγχυσής και μεταφοράς οπών καθώς και ακτινοβολιτικήεπανασύνδεση μέσω της δημιουργίας ενός διεπιφανειακού διεγερμένου συμπλόκου (exciplex). Oτύπος του ανιόντος και η συγκέντρωση των TPS-Salts μέσα στο PEDOT-PSS παίζουν σημαντικόρόλο στην απόδοση των διατάξεων OLED. Οι διατάξεις με το TPS-Triflate παρουσιάζουν τιςκαλύτερες αποδόσεις όχι μόνο στην μείωση του έργου εξόδου, αλλά και στην αύξηση τηςαγωγιμότητας του στρώματος έγχυσης οπών.Στην συνέχεια μελετήθηκε η χρήση μιας σειράς τροποποιημένων με ψευδάργυρο μεταλλωμένωνμορίων πορφυρίνης, για χρήση ως τροποποιητές καθόδου που εναποτέθηκαν πάνω στο ενεργόστρώμα για ενίσχυση της απόδοσης οργανικών διόδων εκπομπής φωτός. Παρατηρήθηκεευθυγράμμιση των ενεργειακών επιπέδων στην διεπιφάνεια της καθόδου, αποκαλύπτοντας ότικατά την τροποποίησή της με τις πορφυρίνες υπάρχει μια σημαντική μείωση στον φραγμόδυναμικού έγχυσης ηλεκτρονίων. Όσον αναφορά για τον μηχανισμό τροποποίησης τωνενεργειακών επιπέδων στην διεπιφάνεια, ο σχηματισμός ενός αρνητικού δίπολου διαμέσου τηςαυθόρμητης μεταφοράς διεπιφανειακών ηλεκτρονίων και της διπολικής ροπής των πορφυρινώνείναι πιθανώς. Επιπλέον, οι πορφυρίνες δεν έχουν καμία επίδραση στην απόσβεση της εκπομπήςστην διεπιφάνεια F8BT/Al , όπως αποκαλύπτεται από την χρονικά αναλυμένη φασματοσκοπία. Ηενσωμάτωση των πορφυρινών ως διεπιφανειακά υμένια μεταφοράς ηλεκτρονίων στις διατάξειςβελτίωσε σημαντικά τα ηλεκτροπτικά χαρακτηριστικά τους.Τέλος, μελετήθηκε η τροποποίηση της καθόδου με μια σειρά χρωστικών σε διαφορετικέςσυγκεντρώσεις. Η ενσωμάτωση των DANS και DMA-DPH ως διεπιφανειακά υμένια μεταξύ τηςκαθόδου και του ενεργού στρώματος (F8BT) στις διατάξεις OLEDs οδήγησε σε σημαντικήαύξηση της απόδοσής τους, σε σύγκριση με αυτήν της διάταξης αναφοράς. Για τη χρωστικήουσία DANS η μέγιστη αύξηση της φωτεινής απόδοσης που παρατηρήθηκε ήταν περίπου 100%,ενώ στην περίπτωση της DMA-DPH άγγιξε το 45%. Τέλος, προτάθηκε μηχανισμός για τηνεξήγηση της αύξησης της απόδοσης, στηριζόμενος στη δημιουργία ενός διεπιφανειακούηλεκτρικού συμπλόκου μεταξύ του ενεργού στρώματος και της χρωστικής ουσίας που ευνοεί τιςακτινοβολητικές επανασυνδέσεις και, τελικά, την εκπομπή φωτός.