Computational characterization of carbazole-benzonitrile derivatives for applications in Organic Light Emitting Diodes

The technology of Organic Light-Emitting Diodes has reached such a high level of reliability that it can be used in various applications. The required light emission efficiency can be achieved by transforming the triplet excitons into singlet states through Reverse InterSystem Crossing (RISC), which is the main process of a general mechanism called thermally activated delayed fluorescence (TADF). In this thesis, we theoretically analyzed two carbazole-benzonitrile (donor-acceptor) derivatives, 2,5-di(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (p-2CzBN) and 2,3,4,5,6-penta(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (5CzBN), and addressed the problem of how donor-acceptor (D-A) or donor-acceptor-donor (D-A-D) flexible molecular architectures influence the nature of the excited states and the emission intensity. Furthermore, we analyzed the RISC rates as a function of the conformation of the carbazole lateral groups, considering the first electronic states, S0, S1, T1 and T2, involved in TADF process. The two prototype molecules, p-2CzBN and 5CzBN, have a similar energy gap between the first singlet and triplet states (∆EST, a key parameter in the RISC rate), but different TADF performances. Therefore, other parameters must be considered to explain their different behavior. The oscillator strength of p-2CzBN, never tested as emitter in OLEDs, is similar to that of 5CzBN, which is an active TADF molecule. We also note that the presence of a second T2 triplet state, lower in energy than S1 only in 5CzBN, and the reorganization energies, associated with RISC processes involving T1 and T2, are important factors in differentiating the rates in p-2CzBN and 5CzBN. For p-2CzBN, the RISC rate from T2 to S1 is surprisingly higher than that from T1 to S1, in disagreement with El-Sayed rules, due to a large reorganization energy associated to the T1 to S1, process; while the contrary occurs for 5CzBN. These insights are important for designing new TADF emitters based on the benzo-carbazole architecture.

Studio delle proprieta ottiche ed elettriche di dispositivi led a confinamento quantico

In questa tesi viene descritto il funzionamento delle sorgenti di luce LED (Light Emitting Diode) a confinamento quantico, che rappresentano la nuova frontiera dell'illuminazione ad alta efficienza e durata. Nei capitoli introduttivi è descritta brevemente la storia dei LEDs dalla loro invenzione agli sviluppi più recenti. Il funzionamento di tali dispositivi fotonici è spiegato a partire dal concetto di sorgente di luce per elettroluminescenza, con particolare riferimento alle eterostrutture a confinamento quantico bidimensionale (quantum wells). I capitoli centrali riguardano i nitruri dei gruppi III-V, le cui caratteristiche e proprietà hanno permesso di fabbricare LEDs ad alta efficienza e ampio spettro di emissione, soprattutto in relazione al fatto che i LEDs a nitruri dei gruppi III-V emettono luce anche in presenza di alte densità di difetti estesi, nello specifico dislocazioni. I capitoli successivi sono dedicati alla presentazione del lavoro sperimentale svolto, che riguarda la caratterizzazione elettrica, ottica e strutturale di LEDs a confinamento quantico basati su nitruri del gruppo III-V GaN e InGaN, cresciuti nei laboratori di Cambridge dal Center for Gallium Nitride. Lo studio ha come obiettivo finale il confronto dei risultati ottenuti su LEDs con la medesima struttura epitassiale, ma differente densità di dislocazioni, allo scopo di comprendere meglio il ruolo che tali difetti estesi ricoprono nella determinazione dell'effcienza delle sorgenti di luce LED. L’ultimo capitolo riguarda la diffrazione a raggi X dal punto di vista teorico, con particolare attenzione ai metodi di valutazioni dello strain reticolare nei wafer a nitruri, dal quale dipende la densità di dislocazioni.

Studio di leds con diverse densita di dislocazioni tramite l'analisi del coefficiente di poole-frenkel

E' stato considerato un High-Dislocation Density Light Emitting Diode (HDD LED)ed è stato analizzato l'andamento di corrente a varie temperature. Dai risultati ottenuti è stato possibile ricavare il coefficiente di Poole-Frenkel, e da esso risalire alla densità di dislocazioni del dispositivo.

Trasporto di carica in cristalli organici semiconduttori

Uno dei settori che più si stanno sviluppando nell'ambito della ricerca applicata è senza dubbio quello dell'elettronica organica. Nello specifico lo studio è sospinto dagli indubbi vantaggi che questi dispositivi porterebbero se venissero prodotti su larga scala: basso costo, semplicità realizzativa, leggerezza, flessibilità ed estensione. È da sottolineare che dispositivi basati su materiali organici sono già stati realizzati: si parla di OLED (Organic Light Emitting Diode) LED realizzati sfruttando le proprietà di elettroluminescenza di alcuni materiali organici, OFET (Organig Field Effect Transistor) transistor costruiti con semiconduttori organici, financo celle solari che sfruttano le buone proprietà ottiche di questi composti. Oggetto di analisi di questa tesi è lo studio delle proprietà di trasporto di alcuni cristalli organici, al fine di estrapolarne la mobilità intrinseca e verificare come essa cambi se sottoposti a radiazione x. I due cristalli su cui si è focalizzata questa trattazione sono il 1,5-Dinitronaphtalene e il 2,4-Dinitronaphtol; su di essi è stata eseguita una caratterizzazione ottica e una elettrica, in seguito interpretate con il modello SCLC (Space Charge Limited Current). I risultati ottenuti mostrano che c'è una differenza apprezzabile nella mobilità nei due casi con e senza irraggiamento con raggi x.

Sintesi di complessi luminescenti anionici di Ir(III)

Negli ultimi anni si è osservato un crescente sviluppo della ricerca nel campo dei materiali luminescenti per le loro diverse applicazioni reali e potenziali, fra cui l’impiego in dispositivi elettroluminescenti, quali OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes) e LECs (Light-Emitting Electrochemical Cells). In modo particolare, si rivolge grande attenzione ai complessi ciclometallati di Ir(III) grazie alle peculiari caratteristiche che li contraddistinguono fra i materiali luminescenti, come l'emissione fosforescente, alte rese quantiche di emissione, lunghi tempi di vita e buona stabilità nei dispositivi. Oltre a tali caratteristiche uno dei principali vantaggi presentati dai complessi di Ir(III) è la possibilità di modulare la lunghezza d'onda di emissione modificando la struttura dei leganti ciclometallanti e ancillari. Considerata la versatilità di questi sistemi e la loro conseguente rilevanza, diverse sono state le strategie applicate per l'ottenimento di complessi di Ir(III) generalmente neutri e cationici; al contrario pochi esempi di complessi di Ir(III) anionici sono attualmente riportati in letteratura. Lo scopo del mio lavoro di tesi è stato quindi quello di sintetizzare tre nuovi complessi anionici luminescenti di Ir(III) con tre diversi leganti ciclometallanti. Il piano di lavoro è stato suddiviso in stadi successivi, partendo dalla sintesi dei tre leganti ciclometallanti, impiegati poi nella preparazione dei dimeri di Ir(III) precursori dei miei complessi; infine facendo reagire questi ultimi con un legante ancillare bisanionico, derivato dal di(1H-tetrazol-5-il)metano, si è giunti all'ottenimento di tre complessi anionici luminescenti di Ir(III). Dopo questa prima parte, il lavoro di tesi è proseguito con la caratterizzazione spettroscopica dei tre complessi anionici e la determinazione delle loro proprietà fotofisiche tramite la registrazione di spettri di assorbimento, di emissione e la determinazione delle rese quantiche di emissione e dei tempi di vita. Infine si è preparato un “soft salt” costituito da un complesso anionico e uno cationico di Ir(III) le cui caratteristiche sono tutt'ora oggetto di studio del gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi.

Excited state energy surfaces of flexible emitters for thermally activated delayed fluorescence

Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs) technology has matured over recent years, reaching the commercialization level and being used in various applications. The required efficiency can be achieved by transforming triplet excitons into singlet states via Reverse InterSystem Crossing (RISC), which a general mechanism called thermally activated delayed fluorescence (TADF). Two prototypical molecules in the field, 2CzBN and 4CzBN, Carbazole Benzonitrile (donor-acceptor) derivatives, possess similar energy gap between singlet and triplet (∆EST, a key parameter in the RISC rate), but different TADF performance. In this sense, other parameter must be considered to explain these different behaviors. In this work, we theoretically investigate 2CzBN and 4CzBN and address the problem of how flexible donor-acceptor (D-A) or donor-acceptor-donor (D-A-D) molecular architectures affect the nature of excited state, and the oscillator strength. Furthermore, we analyze the RISC rates as a function of the conformation of the carbazole side groups, considering the S0, S1, T1 and T2 states. The oscillator strength of 4CzBN is higher than of 2CzBN, which, in turn, is almost vanishing, resulting in only 4CzBN being a TADF active molecule. We also note the presence of a second triplet state T2 lower in energy than S1, and that the reorganization energies, associated to the RISC processes involving T1 and T2, are both important factor in differentiating the rates in 2CzBN and 4CzBN. However, the 4CzBN RISC rate from T2 to S1 is surprisingly high with respect to the one from T1 to S1, although, according to EL-Sayed rules, since T2 (CT/LE) is more similar to S1 (CT) than in 2CzBN (LE, CT), this transition should be less favored. These insights are important to understand the photophysics of the TADF process and to design novel TADF emitters based on the benzo-carbazole architecture.