Design de nanodispositivos eletroluminescentes baseados no ALQ3

Neste trabalho reportamos a investigação teórica da solvatação dos isômeros do tris- (8-idroxiquinolinolato) de alumínio III – Alq3, as propriedades eletroluminescentes na solvatação de Alq3 em líquidos orgânicos como metanol, etanol, dimetilformamida (DMF) e acetonitrila, a fim de se entender a dependência na variação de ambientes do sistema, aperfeiçoando o funcionamento de filmes transportadores em dispositivos eletroluminescentes do tipo OLED (Organic Light-Emitting Diodes) e por fim investigamos o mecanismo do transporte eletrônico no Alq3 aplicando uma baixa corrente elétrica na molécula e evidenciando as curvas corrente-voltagem característica do dispositivo. A simulação consiste na aplicação do método sequencial Monte Carlo / Mecânica quântica (S-MC/MQ), que parte de um tratamento inicial estocástico para separação das estruturas mais prováveis de menor energia e posteriormente com um tratamento quântico para plotar os espectros eletrônicos das camadas de solvatação separadas através do método ZINDOS/S. Nas propriedades elétricas do transporte utilizamos o método da função de Green de não equilíbrio acoplado a teoria do funcional densidade (DFT) inferindo que as ramificações mais externas correspondentes aos anéis no Alq3 seriam terminais para o translado eletrônico. Nossos resultados mostraram que a média dos espectros de absorção para solvatação do Alq3 em soluções sofre um desvio mínimo com a mudança de ambiente, estando em ótimo acordo com os resultados experimentais da literatura; e as curvas I-V confirmaram o comportamento diodo do dispositivo, corroborando com os sentidos mais pertinentes quanto aos terminais no Alq3 para se ter um transporte eletrônico satisfatório.

Desenvolvimento e caracterização de dispositivos eletroluminescentes contendo uma blenda polimérica condutora e Zn2SiO4:Mn

Despite the great development of organic and polymeric electroluminescent materials, the large scale commercial application of devices made with these materials seems conditioned to specific cases, mainly due to the high cost and the low durability, in compared to conventional technologies. In this study was produced electroluminescent devices by a process simple, drop casting. Were produced electroluminescent films containing Zn2SiO4:Mn immersed in a conductive polymer blend with different thicknesses. The morphological characteristics of these films were studied by scanning electronic microscopy. These films were used in the manufacture of electroluminescent devices, in which the light emission properties of the developed material were evaluated. The blend was composed of the conductive polymer Poly(o-methoxyaniline), doped with p-toluene sulfonic acid, and an insulating polymer, Poly(vinylidene fluoride) and its copolymer Poly(vinylidene fluoride-cotrifluoroethylene). To this blend was added Zn2SiO4:Mn, thereby forming the composite. A first set of devices was obtained using composites with different weight fraction of polymeric and inorganic phases, which were deposited by drop casting over ITO substrates. Upper electrodes of aluminum were deposited by thermal evaporation. The resulting device architecture was a sandwich type structure ITO/ composite/ Al. A second set of devices was obtained as self-sustaining films using the best composite composition obtained for the device of the first set. ITO electrodes were deposited by RF-Sputtering, in both faces of these films. The AC electrical characterization of the devices was made with impedance spectroscopy measurements, and the DC electrical characterization was performed using a source/ meter unit Keithley 2410. The devices light emission was measured using a photodiode coupled to a digital electrometer, Keithley 6517A. The devices electrooptical characterization showed that the...

Luminous efficiency enhancement of PVK based OLEDs with fac-[ClRe(CO)(3)(bpy)]

The luminous efficiency of organic light-emitting diodes based on poly(N-vinylcarbazole), PVK, was improved by adding fac-[ClRe(CO)(3)(bpy)], bpy = 2,2`-bipyridine, to PVK host. Emissive layers with various Re(I) complex/host ratio were employed and optoelectronic properties were compared with the single PVK device. The single PVK device exhibits a characteristic electroluminescence with blue emission, lambda(max) 420 nm, assigned to the PVK excimer. On the other hand, the intense and broad band at lambda(max) 580 nm of the Re(I) complex/PVK OLEDs is ascribed to the metal-to-ligand charge transfer excited state emission of fac-[ClRe(CO)(3)(bpy)]. At 30 V, the device luminous efficiency increased from 16 mcd/A for the single PVK device to 211 mcd/A for the 11% (w/w) Re(I) complex/PVK OLED, in which fac-[ClRe(CO)(3)(bpy)] acts as an electron-trap in PVK films. The device current is space-charge limited and exhibits typical emissive layer thickness dependence. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Transient and d.c. analysis of the operation mechanism of light-emitting electrochemical cells

Light-emitting electrochemical cells (LECs) made of electroluminescent polymers were studied by d.c. and transient current-voltage and luminance-voltage measurements to elucidate the operation mechanisms of this kind of device. The time and external voltage necessary to form electrical double layers (EDLs) at the electrode interfaces could be determined from the results. In the low-and intermediate-voltage ranges (below 1.1 V), the ionic transport and the electronic diffusion dominate the current, being the device operation better described by an electrodynamic model. For higher voltages, electrochemical doping occurs, giving rise to the formation of a p-i-n junction, according to an electrochemical doping model. Copyright (C) EPLA, 2012

Liquid crystalline hexabenzocoronenes as organic molecular materials - synthesis, characterization and application

Die vorliegende Arbeit 'Liquid Crystalline Hexabenzocoronenes as Organic Molecular Materials - Synthesis, Characterization and Application' war durch drei Schwerpunkte definiert:1. Verbesserung der Synthese von Hexabenzocoronen Derivaten mit sechsfacher Alkyl-Substitution,2. Entwicklung von molekularen Materialien mit verbesserten Eigenschaften wie zum Beispiel Löslichkeit und Verarbeitbarkeit,3. Einsatz der entwickelten Moleküle in optoelektronischen Bauteilen wie zum Beispiel organischen Solarzellen und Feld-Effekt-Transistoren.Mit Hilfe einer neuen Syntheseroute ist es gelungen Aryl-Aryl und Aryl-Alkyl Kupplungen sehr spät in der Reaktionssequenz von Hexabenzocoronenen einzusetzen. Dies führte zu einer Vielzahl substituierter HBC Derivate. Die Einführung eines Phenyl Spacers zwischen den HBC Kern und die äußeren Alkylketten, wie zum Beispiel in HBC-PhC12, hatte eine Vielzahl positiver Effekte wie dramatisch verbesserte Löslichkeit und Flüssigkristallinität bei Raumtemperatur zur Folge. Die Kombination dieser Phänomene ermöglichte die Bildung hochgeordneter Filme, welche sehr wichtig für den Einsatz in organischen Bauelementen sind. Mit Hilfe von STM Techniken an der Fest-Flüssig Phasengrenze wurden hochgeordnete 2-D Strukturen der HBC Moleküle gefunden. Die Kombination von extrem hoher kolumnarer Ordnung, bestimmt mit Hilfe der Festkörper NMR Spektroskopie, mit einer konstant hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, führte zu dem sehr erfolgreichen Einsatz von HBC-PhC12 in organischen Solarzellen.

Discotic materials for organic electronics

Die Kontrolle der ausgeprägten Aggregationsfähigkeit von alkylsubstituierten Hexa-peri-hexabenzocoronenen (HBC) wurde durch die Reduktion der intermolekularen Wechselwirkungen erreicht. Sterisch anspruchsvolle, verzweigte Alkylketten, mit einem Verzweigungspunkt naher des aromatischen Kerns, wurden in die Corona der aromatischen Scheiben eingebracht und verleihen den Derivaten Schmelzbarkeit ohne thermische Zersetzung. Dies erlaubte eine kostengünstige Verarbeitungstechniken direkt aus der Schmelze wie z.B. Zonenschmelzen, um uniaxial organisierte makroskopische Filme zu erhalten. Abhängig von dem sterischen Anspruch, der durch die Seitenkette erzeugt wird, wurden unterschiedliche molekulare Orientierungen auf Oberflächen erhalten, was eine wichtige Voraussetzung ist, um diskotische Materialien in elektronische Bauteile zu implementieren. Eine weitere Voraussetzung sind hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und Ladungsträgerlebenszeiten in den Halbleitermaterialien, die mit time-resolved pulse-radiolysis microwave conductivity (TR-PRMC) und time-of-flight (TOF) auch für die synthetisieren Materialien bestimmt wurden. Die neuen Materialien zeigten bereits in organischen Solarzellen gute Leistungen. Den Einfluss des Perimeters auf die elektronischen Eigenschaften der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) wurde theoretisch vorhergesagt und in dieser Arbeit durch die Synthese einer homologe Serie von PAKs experimentell bestätigt. Geht man von der „arm-chair“ Peripherie des HBC sukzessive zu einer partiellen „zickzack“ Peripherie, so findet man eine Abhängigkeit der elektronischen Banden von Symmetrie und Größe des aromatischen Systems. Die spontan ausgebildete Überstruktur dieser Derivate zeigte eine Abhängigkeit von Substitutionsmuster und der Natur der Alkylketten. Zusammenfassend wurden neben der Synthese von neuartigen Materialien für den Einsatz in der organischen Elektronik Synthesen entwickelt, die eine vereinfachte Funktionalisierung von ausgedehnten PAKs ermöglicht. Diese Konzepte erlauben eine Justierung der molekularen und supramolekularen Eigenschaften, eines der wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz von Materialien in elektronischen Bauelementen.

Extended donor and acceptor molecules for organic electronics

Die Untersuchung von halbleitenden Materialien auf der Basis von organischen Molekülen stellt ein Gebiet der angewandten Forschung an der Schwelle zur industriellen Nutzung dar. Geringes Gewicht und hohe mechanische Flexibilität ermöglichen völlig neue Produkte, die mit anorganischen Halbleitern nicht zu realisieren sind. Die Herstellung von Bauteilen wie Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden aus organischen Materialien ist ein komplexes Gebiet, das einer Vielzahl von unterschiedlichen Optimierungen bedarf, um eine konkurrenzfähige Leistung zu erreichen. Die synthetische organische Chemie bietet vielfältige Möglichkeiten, mit maßgeschneiderten Lösungen zum Optimierungsprozess beizutragen. Zum einen können neue aktive Materialien hergestellt werden mit besserer Leistung und leichterer Verarbeitbarkeit. Zum anderen sind Substanzen zugänglich, die z.B. bei der Ladungsträgerinjektion hilfreich sein können.rnIn dieser Arbeit wurde an beiden dieser Fronten gearbeitet. Dabei lag die Entwicklungsstrategie darin, ausgedehnte π-konjugierte Moleküle herzustellen, die entweder besonders elektronenarme Akzeptoren oder elektronenreiche Donoren darstellen. Die genaue Kontrolle der elektronischen Niveaus stellt einen wichtigen Bestandteil dar, um niedrige elektrische Kontaktbarrieren zu Metallen zu erreichen und ausreichend stabile Materialien zu erreichen.rnDer erste Fokus der Arbeiten lag in der Funktionalisierung von Coronen. Dieser PAH stellt einen guten Kompromiss bezüglich seiner Größe dar: Er ist groß genug, um Diffusion in andere Schichten von Bauteilen zu vermeiden, aber nicht zu groß, um Verarbeitung durch Vakuumsublimation zu ermöglichen. Bislang sind praktisch keine Coronen-Derivate in der Literatur beschrieben, weshalb eine neue Synthese entwickelt werden musste, die die Einführung starker Donor- und Akzeptorfunktionalitäten erlaubt. Die photochemische Cyclodehydrierung von substituierten [2.2.2]paracyclophan-trienen stellte sich als hervorragende Möglichkeit heraus, dies zu bewerkstelligen. Es wurde eine Reihe von methoxy-substitutierten Coronenen mit unterschiedlicher Symmetrie hergestellt. Mittels optischer Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass Methoxygruppen wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Coronen haben. Unter Spaltung der Methylether und anschließender Oxidation allerdings sind Coronenketone zugänglich, welche bis zu drei α-Diketongruppen besitzen. Diese Moleküle sind enorm starke Akzeptoren, was durch Cyclovoltammetrie und Vergleich zu anderen Akzeptoren eindrucksvoll gezeigt werden konnte. Die Sublimation dieses Akzeptors auf die Oberfläche von Metallen zeigt einen dramatischen Einfluss auf die Austrittsarbeit dieses Metalls, was zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zu organischen Halbleitern von außerordentlichem Nutzen ist. rnDen zweiten Teil der Arbeit bilden Benzodithiophen enthaltende Polymere, die für den Einsatz als aktive Komponente in elektronischen Bauteilen entwickelt wurden. Nach systematischer Strukturoptimierung wurde ein Polymer enthalten, welches in einem Feldeffekt-Transistor auf Standard-Silizium-Substraten Ladungsträger-Mobilitäten über 0,1 cm2/Vs erreicht mit großer Reproduzierbarkeit und ausgezeichneter Transistor-Charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die durch die Monomergeometrie erzeugte Kurvung des Polymers zu einem optimalen Kompromiss aus Löslichkeit und effektiver Packung darstellt. Auf für industrielle Anwendungen besonders interessanten polymer-basierten Substraten wurde eine noch erheblich bessere Leistung gezeigt. Auf einem PET-Substrat wurden Feldeffekt-Mobilitäten von 0,5 cm2/Vs gemessen mit überzeugenden Reproduzierbarkeit und Stabilität.rnDamit konnte in der Arbeit ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung von Materialien für den Einsatz in elektronischen Bauteilen geleistet werden. Die Substanzen versprechen noch erhebliches Potenzial nach intensiver Optimierung und wurden deshalb zum Patent angemeldet.rn

Interfacial interactions, charge transport and growth phenomena in Organic Field Effect Transistors

Organic electronics is an emerging field with a vast number of applications having high potential for commercial success. Although an enormous progress has been made in this research area, many organic electronic applications such as organic opto-electronic devices, organic field effect transistors and organic bioelectronic devices still require further optimization to fulfill the requirements for successful commercialization. The main bottle neck that hinders large scale production of these devices is their performances and stability. The performance of the organic devices largely depends on the charge transport processes occurring at the interfaces of various material that it is composed of. As a result, the key ingredient needed for a successful improvement in the performance and stability of organic electronic devices is an in-depth knowledge of the interfacial interactions and the charge transport phenomena taking place at different interfaces. The aim of this thesis is to address the role of the various interfaces between different material in determining the charge transport properties of organic devices. In this framework, I chose an Organic Field Effect Transistor (OFET) as a model system to carry out this study as it An OFET offers various interfaces that can be investigated as it is made up of stacked layers of various material. In order to probe the intrinsic properties that governs the charge transport, we have to be able to carry out thorough investigation of the interactions taking place down at the accumulation layer thickness. However, since organic materials are highly instable in ambient conditions, it becomes quite impossible to investigate the intrinsic properties of the material without the influence of extrinsic factors like air, moisture and light. For this reason, I have employed a technique called the in situ real-time electrical characterization technique which enables electrical characterization of the OFET during the growth of the semiconductor.

Epitaxial growth of molecular crystals on van der Waals substrates for high-performance organic electronics

Epitaxial van der Waals (vdW) heterostructures of organic and layered materials are demonstrated to create high-performance organic electronic devices. High-quality rubrene films with large single-crystalline domains are grown on h-BN dielectric layers via vdW epitaxy. In addition, high carrier mobility comparable to free-standing single-crystal counterparts is achieved by forming interfacial electrical contacts with graphene electrodes.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

Dispositifs optoélectroniques à base de semi-conducteurs organiques en couches minces

Les petites molécules de type p à bandes interdites étroites sont de plus en plus perçues comme des remplaçantes possibles aux polymères semi-conducteurs actuellement utilisés conjointement avec des dérivés de fullerènes de type n, dans les cellules photovoltaïques organiques (OPV). Par contre, ces petites molécules tendent à cristalliser facilement lors de leur application en couches minces et forment difficilement des films homogènes appropriés. Des dispositifs OPV de type hétérojonction de masse ont été réalisés en ajoutant différentes espèces de polymères semi-conducteurs ou isolants, agissant comme matrices permettant de rectifier les inhomogénéités des films actifs et d’augmenter les performances des cellules photovoltaïques. Des polymères aux masses molaires spécifiques ont été synthétisés par réaction de Wittig en contrôlant précisément les ratios molaires des monomères et de la base utilisée. L’effet de la variation des masses molaires en fonction des morphologies de films minces obtenus et des performances des diodes organiques électroluminescentes reliées, a également été étudié. La microscopie électronique en transmission (MET) ou à balayage (MEB) a été employée en complément de la microscopie à force atomique (AFM) pour suivre l’évolution de la morphologie des films organiques minces. Une nouvelle méthode rapide de préparation des films pour l’imagerie MET sur substrats de silicium est également présentée et comparée à d’autres méthodes d’extraction. Motivé par le prix élevé et la rareté des métaux utilisés dans les substrats d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), le développement d’une nouvelle méthode de recyclage eco-responsable des substrats utilisés dans ces études est également présenté.

A study of diphenylfumaronitrile and furan-substituted diketopyrrolopyrrole alternating copolymer and its thin-film transistors

A fused aromatic furan-substituted diketopyrrolopyrrole and novel diphenylfumaronitrile conjugated building blocks are used for the synthesis of an alternating copolymer (DPFN-DPPF) via Suzuki polycondensation. In this paper, the first attempt to use the diphenylfumaronitrile building block for the synthesis of conjugated polymer is described. The number-average and weight-average molecular weights calculated for DPFN-DPPF are 20?661 and 66?346 g mol-1, respectively. The optical bandgap calculated for DPFN-DPPF is 1.53 eV whereas the highest occupied molecular orbital (HOMO) value calculated by photoelectron spectroscopy in air (PESA) is 5.50 eV. The calculated HOMO value is lower, which is suitable for stable organic electronic devices. DPFN-DPPF polymer is used as an active layer in bottom-contact bottom-gate organic thin-film transistor devices and the thin film exhibits a hole mobility of 0.20 cm2 V-1 s-1 in air.

Water-based nanoparticulate solar cells using a diketopyrrolopyrrole donor polymer

Organic photovoltaic devices with either bulk heterojunction (BHJ) or nanoparticulate (NP) active layers have been prepared from a 1:2 blend of (poly{3,6-dithiophene-2-yl-2,5-di(2-octyldodecyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1, 4-dione-alt-naphthalene}) (PDPP-TNT) and the fullerene acceptor, ([6,6]-phenyl C71-butyric acid methyl ester) (PC70BM). Atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) have been used to investigate the morphology of the active layers of the two approaches. Mild thermal treatment of the NP film is required to promote initial joining of the NPs in order for the devices to function, however the NP structure is retained. Consequently, whereas gross phase segregation of the active layer occurs in the BHJ device spin cast from chloroform, the nanoparticulate approach retains control of the material domain sizes on the length scale of exciton diffusion in the materials. As a result, NP devices are found to generate more than twice the current density of BHJ devices and have a substantially greater overall efficiency. The use of aqueous nanoparticulate dispersions offers a promising approach to control the donor acceptor morphology on the nanoscale with the benefit of environmentally- friendly, solution-based fabrication. © 2014 the Owner Societies.

Room-temperature tilted-target sputtering deposition of highly transparent and low sheet resistance Al doped ZnO electrodes

Target-tilted room temperature sputtering of aluminium doped zinc oxide (AZO) provides transparent conducting electrodes with sheet resistances of <10 Ω □-1 and average transmittance in the visible region of up to 84%. The properties of the AZO electrode are found to be strongly dependent on the target-tilting angle and film thickness. The AZO electrodes showed comparable performance to commercial indium tin oxide (ITO) electrodes in organic photovoltaic (OPV) devices. OPV devices containing a bulk heterojunction active layer comprised of poly(3-n-hexylthiophene) (P3HT):phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) and an AZO transparent conducting electrode had a power conversion efficiency (PCE) of up to 2.5% with those containing ITO giving a PCE of 2.6%. These results demonstrate that AZO films are a good alternative to ITO for transparent conducting electrodes.

Pathway to high throughput, low cost indium-free transparent electrodes

A roll-to-roll compatible, high throughput process is reported for the production of highly conductive, transparent planar electrode comprising an interwoven network of silver nanowires and single walled carbon nanotubes imbedded into poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS). The planar electrode has a sheet resistance of between 4 and 7 Ω □−1 and a transmission of >86% between 800 and 400 nm with a figure of merit of between 344 and 400 Ω−1. The nanocomposite electrode is highly flexible and retains a low sheet resistance after bending at a radius of 5 mm for up to 500 times without loss. Organic photovoltaic devices containing the planar nanocomposite electrodes had efficiencies of ∼90% of control devices that used indium tin oxide as the transparent conducting electrode.