High efficiency fluorescent white organic light-emitting diodes with red, green and blue separately monochromatic emission layers

Highly efficient fluorescent white organic light-emitting diodes (WOLEDs) have been fabricated by using three red, green and blue, separately monochromatic emission layers. The red and blue emissive layers are based on 4-(dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidin-4-yl-vinyl)-4H-pyran (DCJTB) doped N,N'-di(naphthalene-1-yl)-N,N'-diphenyl-benzidine (NPB) and p-bis(p-N,N-diphenyl-amino-styryl) benzene (DSA-ph) doped 2-methyl-9,10-di(2-naphthyl) anthracene (MADN), respectively; and the green emissive layer is based on tris(8-hydroxyquionline)aluminum(Alq(3)) doped with 10-(2-benzothiazolyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7-tetramethyl- 1H,5H,1[H-(1)-benzopyropyrano(6,7-8-i,j)quinolizin-1]-one (C545T), which is sandwiched between the red and the blue emissive layers. It can be seen that the devices show stable white emission with Commission International de L'Eclairage coordinates of (0.41, 0.41) and color rendering index (CRI) of 84 in a wide range of bias voltages.

Achieving highly efficient white organic light-emitting diodes with reduced efficiency roll-off

A highly efficient and colour-stable three-wavelength white organic light-emitting diode with the structure of indium tin oxide (ITO)/MoO3/N,N'-diphenyl-N,N'-bis (1-naphthylphenyl)-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine (NPB)/4,4'-N,N'-dicarbazole-biphenyl (CBP): bis(2,4-diphenylquinolyl-N,C-2') iridium( acetylacetonate) (PPQ)(2)Ir(acac)/NPB/p-bis(p-N,N-diphenyl-aminostyryl)benzene (DSA-Ph):2-methyl-9,10-di(2-naphthyl) anthracene (MADN)/tris (8-hydroxyquinoline) aluminum (AlQ): 10-(2-Benzothiazolyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1,1,7,7-tetramethyl-1H,5H,11H-(1)-benzopyropyrano(6,7-8-i,j)quinolizin-11-one (C545T)/AlQ/LiF/Al is fabricated and characterized. A current efficiency of 12.3 cdA(-1) at an illumination-relevant brightness of 1000 cd m(-2) is obtained, which rolls off slightly to 10.3 cdA(-1) at a rather high brightness of 10 000 cd m(-2). We attribute this great reduction in the efficiency roll-off to the wise management of singlet and triplet excitons between emissive layers as well as the superior charge injection and diffusion balance in the device.

Duplicating "sunlight'' from simple WOLEDs for lighting applications

Simple single-dopant white organic light-emitting devices (WOLEDs) with optimized efficiency/color quality/brightness trade-offs are developed; the white light produced shows the best color quality ever exhibited by WOLEDs at very high brightness, and is even able to duplicate the natural sunlight source.

Organic photovoltaic cells using hexadecafluorophthalocyaninatocopper (F16CuPc) as electron acceptor material

We fabricated organic photovoltaic cells by using hexadecafluorophthalocyaninatocopper (F16CuPc) as electron acceptor material and para-sexiphenyl (p-6P) as electron donor material. F16CuPc has wide absorption spectrum from 550 nm to 850 nm, which covers the maximum of solar photo flux. The measurement of their external quantum efficiency (EQE) demonstrated that the photocurrent comes from the excitons created in F16CuPc, which were separated into free electrons and holes at heterojunction interface of p-6P and F16CuPc. Moreover, F(16)FuPc with excellent air-stability improved the environmental stability of photovoltaic cells, and the unencapsulated cells exhibited the shelf lifetime of exceeding a week.

Effect of dye-doped concentration on the charge carrier recombination in molecularly doped organic light-emitting devices

The effect of the concentration of 4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl- 9-enyl)-4H-pyran(DCJTB) as dopant in tris(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq(3)) on the charge carrier recombination was studied by transient electroluminescence (EL). The electron-hole recombination coefficient (gamma) was determined from the long-time component of the temporal decay of the EL intensity after a rectangular voltage pulse was turned off. It was found that the coefficient monotonically decreased with an increase in the DCJTB-doping concentration. The monotonic decrease is attributed to concentration quenching on the excitons and coincided well with the reduction of the EL efficiency.

Photoluminescence of aggregated C-60 in nano-size at room temperature

When the aggregation of C-60 is arranged in mono-dispersed state on the ITO substrate, the photoluminescence (PL) spectra are observed clearly. These emission peaks are attributed to recombination of self - trapped excitons, the zero-phonon exciton (R-0) and its phonon replicas.

Exciton-mediated photothermal cooling in GaAs membranes

Cooling of the mechanical motion of a GaAs nano-membrane using the photothermal effect mediated by excitons was recently demonstrated by some of the authors (Usami et al 2012 Nature Phys. 8 168) and provides a clear example of the use of thermal forces to cool down mechanical motion. Here, we report on a single-free-parameter theoretical model to explain the results of this experiment which matches the experimental data remarkably well.

Exciton-Plasmon States in Nanoscale Materials: Breakdown of the Tamm-Dancoff Approximation

Within the Tamm-Dancoff approximation, ab initio approaches describe excitons as packets of electron-hole pairs propagating only forward in time. However, we show that in nanoscale materials excitons and plasmons hybridize, creating exciton-plasmon states where the electron-hole pairs oscillate back and forth in time. Then, as exemplified by the trans-azobenzene molecule and the carbon nanotubes, the Tamm-Dancoff approximation yields errors larger than the accuracy claimed in ab initio calculations. Instead, we propose a general and efficient approach that avoids the Tamm-Dancoff approximation, correctly describes excitons, plasmons, and exciton-plasmon states, and provides a good agreement with experimental results.

A multiconfigurational time-dependent Hartree-Fock method for excited electronic states. II. Coulomb interaction effects in single conjugated polymer chains

Conjugated polymers have attracted considerable attention in the last few decades due to their potential for optoelectronic applications. A key step that needs optimisation is charge carrier separation following photoexcitation. To understand better the dynamics of the exciton prior to charge separation, we have performed simulations of the formation and dynamics of localised excitations in single conjugated polymer strands. We use a nonadiabatic molecular dynamics method which allows for the coupled evolution of the nuclear degrees of freedom and of multiconfigurational electronic wavefunctions. We show the relaxation of electron-hole pairs to form excitons and oppositely charged polaron pairs and discuss the modifications to the relaxation process predicted by the inclusion of the Coulomb interaction between the carriers. The issue of charge photogeneration in conjugated polymers in dilute solution is also addressed. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3600404]

Density functional theory study of mixed-phase TiO2: heterostructures and electronic properties

In this work, density functional theory calculations have been performed to study the geometric, electronic, and energetic properties of two-phase TiO2 composites built by joining two single-phase TiO2 slabs, aiming at verifying possible improvement of the photo-activities of the composites through phase separation of excitons. We find that such desired electronic properties can be determined by several factors. When both the HOMO and LUMO levels of one of the two single-phase TiO2 slabs are higher than the corresponding ones of the other, the composite may have native electronic structures with phase-separated HOMO-LUMO states, especially when the two slabs exhibit highly matched surface lattices. For those pairs of TiO2 slabs with the HOMO and LUMO levels of one phase being within the range of those of the other, though the energetically favored composite give HOMO-LUMO states within one phase, one may still be able to separate them and move the HOMO state to the interface region by destabilizing the interactions between the two slabs.

Anisotropie de la photoluminescence dans des nanostructures organiques chirales autoassemblées

Nous investiguons dans ce travail la dynamique des excitons dans une couche mince d’agrégats H autoassemblés hélicoïdaux de molécules de sexithiophène. Le couplage intermoléculaire (J=100 meV) place ce matériau dans la catégorie des semi-conducteurs à couplage de type intermédiaire. Le désordre énergétique et la forte interaction électronsphonons causent une forte localisation des excitons. Les espèces initiales se ramifient en deux états distincts : un état d’excitons autopiégés (rendement de 95 %) et un état à transfert de charge (rendement de 5%). À température de la pièce (293K), les processus de sauts intermoléculaires sont activés et l’anisotropie de la fluorescence décroît rapidement à zéro en 5 ns. À basse température (14K), les processus de sauts sont gelés. Pour caractériser la dynamique de diffusion des espèces, une expérience d’anisotropie de fluorescence a été effectuée. Celle-ci consiste à mesurer la différence entre la photoluminescence polarisée parallèlement au laser excitateur et celle polarisée perpendiculairement, en fonction du temps. Cette mesure nous donne de l’information sur la dépolarisation des excitons, qui est directement reliée à leur diffusion dans la structure supramoléculaire. On mesure une anisotropie de 0,1 après 20 ns qui perdure jusqu’à 50ns. Les états à transfert de charge causent une remontée de l’anisotropie vers une valeur de 0,15 sur une plage temporelle allant de 50 ns jusqu’à 210 ns (période entre les impulsions laser). Ces résultats démontrent que la localisation des porteurs est très grande à 14K, et qu’elle est supérieure pour les espèces à transfert de charge. Un modèle numérique simple d’équations différentielles à temps de vie radiatif et de dépolarisation constants permet de reproduire les données expérimentales. Ce modèle a toutefois ses limitations, notamment en ce qui a trait aux mécanismes de dépolarisation des excitons.

Études des fuites excitoniques dans des familles de boîtes quantiques d'InAs/InP par PLRT par addition de fréquences

Ce mémoire porte sur les mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans des systèmes de boîtes quantiques(BQs) d’InAs/InP. Les systèmes sont composés d’un sub- strat volumique d’InP, appelé matrice (M), d’un puits quantique d’InAs, nommé couche de mouillage (CM), et des familles de BQs d’InAs. La distinction entre les familles est faite par le nombre de monocouche d’épaisseur des boîtes qui sont beaucoup plus larges que hautes. Une revue de littérature retrace les principaux mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans les systèmes. Ensuite, différents modèles portant sur la fuite thermique des excitons des BQs sont comparés. Les types de caractérisations déjà produites et les spécifications des croissances des échantillons sont présentés. L’approche adoptée pour ce mémoire a été de caractériser temporellement la dynamique des BQs avec des mesures d’absorbtion transitoire et de photoluminescence résolue en temps (PLRT) par addition de fréquences. L’expérience d’absorption transitoire n’a pas fait ressortir de résultats très probants, mais elle est expliquée en détails. Les mesures de PLRT ont permis de suivre en température le temps de vie effectif des excitons dans des familles de BQs. Ensuite, avec un modèle de bilan détaillé, qui a été bien explicité, il a été possible d’identifier le rôle de la M et de la CM dans la relaxation et la fuite des excitons dans les BQs. Les ajustements montrent plus précisément que la fuite de porteurs dans les BQs se fait sous la forme de paires d’électrons-trous corrélées.

Vers la fabrication d’échantillons permettant la condensation Bose-Einstein de polaritons excitoniques dans des cristaux d’anthracène en microcavités

Nous investiguons dans ce travail la création d'échantillons permettant l'étude du comportement des polaritons excitoniques dans les matériaux semi-conducteurs organiques. Le couplage fort entre les états excités d'électrons et des photons impose la création de nouveaux états propres dans le milieu. Ces nouveaux états, les polaritons, ont un comportement bosonique et sont donc capables de se condenser dans un état fortement dégénéré. Une occupation massive de l'état fondamental permet l'étude de comportements explicables uniquement par la mécanique quantique. La démonstration, au niveau macroscopique, d'effets quantiques promet d'éclairer notre compréhension de la matière condensée. De plus, la forte localisation des excitons dans les milieux organiques permet la condensation des polaritons excitoniques organiques à des températures beaucoup plus hautes que dans les semi-conducteurs inorganiques. À terme, les échantillons proposés dans ce travail pourraient donc servir à observer une phase cohérente macroscopique à des températures facilement atteignables en laboratoire. Les cavités proposées sont des résonateurs Fabry-Perot ultraminces dans lesquels est inséré un cristal unique d'anthracène. Des miroirs diélectriques sont fabriqués par une compagnie externe. Une couche d'or de 60 nanomètres est ensuite déposée sur leur surface. Les miroirs sont ensuite mis en contact, or contre or, et compressés par 2,6 tonnes de pression. Cette pression soude la cavité et laisse des espaces vides entre les lignes d'or. Une molécule organique, l'anthracène, est ensuite insérée par capillarité dans la cavité et y est cristallisée par la suite. Dans leur état actuel, les cavités présentent des défauts majeurs quant à la planarité des miroirs et à l'uniformité des cristaux. Un protocole détaillé est présenté et commenté dans ce travail. Nous y proposons aussi quelques pistes pour régler les problèmes courants de l'appareil.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

Visible luminescence mechanism in nano ZnO under weak confinement regime

We describe the structure of luminescence spectrum in the visible region in nano-ZnO in colloidal and thin film forms under weak confinement regime by modeling the transition from excited state energy levels of excitons to their ground state. Measurements on nanocrystallites indicate the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm. The relevant energy levels showing the transitions corresponding to the observed peaks in the emission spectrum of ZnO of particle size 18 nm are identified.