Золотые наночастицы повышают эффективность электронного транспорта в катодном интерфейсном слое PF-NR2 для высокопроизводительных инверсных полимерных светодиодов

Аннотация

Для расширения коммерческого применения органических светодиодов (OLED) инверсные полимерные светодиоды (iPLED) с растворимой технологией изготовления рассматриваются как перспективная платформа. Однако эффективность электронного транспорта в катодном интерфейсном слое — в частности, полимере PF-NR2 — остается «узким местом». В данном исследовании в слой PF-NR2 при оптимальном соотношении были внедрены золотые наночастицы (Au NP) диаметром 20 нм. Проводящая атомно-силовая микроскопия (c-AFM) показала существенное увеличение электронной проводимости, что обусловлено отличной металлической проводимостью Au NP. Устройства с легированным слоем PF-NR2 продемонстрировали увеличение яркости на 94% (с 17 до 33 кд/м²) и рост световой эффективности на 101% (с 9,4 до 18,9 кд/А). Полученные результаты предлагают практичную и масштабируемую стратегию повышения производительности высокоэффективных iPLED.

Введение

За последние два десятилетия OLED привлекли значительное внимание благодаря гибкости, малому весу и недорогому производству. Растворимая технология открывает путь к дешевому масштабному выпуску, однако коммерческое внедрение iPLED сдерживается неоптимальными зарядоносящими слоями. Катодный интерфейс, особенно полимер PF-NR2, критически важен для балансировки внедрения электронов и дыр. Предыдущие работы показывали, что модификация боковых цепей PF-NR2 улучшает электронное внедрение, но внутренняя подвижность электронов полимера остается умеренной. Металлические наночастицы — особенно золото — обладают исключительной электрической проводимостью и плазмонными свойствами, которые можно использовать для улучшения зарядового транспорта в органических слоях. В данном работе исследуется внедрение 20-нм Au NP в интерфейсный слой PF-NR2 и оценивается их влияние на электронный транспорт и характеристики устройств.

Материалы и методы

Материалы

PF-NR2 синтезирован Pd-катализированным реакцией Стилля 2,7-дибromo-9,9-бис(3-(N,N-диметиламино)пропил)флорена с 2,7-бис(4,4,5,5-тетрамитил-1,3,2-диоксаборолан-2-ил)-9,9-диоктилфлореном в толуол/Na₂CO₃ в инертной атмосфере. После рефлюса продукт выпадал в метанол, фильтровался и промывался ацетоном для удаления олигомеров, выход 0,28 г (77%). P-PPV, ИСО-стекло и PEDOT:PSS приобретены у коммерческих поставщиков. Золотые наночастицы (20 нм) получены методом редукции цитратом по Френсу.

Подготовка предкурсора оксида цинка (ZnO)

Ацетат цинка дигидрат (1 г) и этаноламин (0,28 г) растворены в 2-метоксиэтаноле (10 мл) и перемешивались 12 ч для формирования раствора предкурсора ZnO.

Синтез Au NP

HAuCl₄ (0,25 мМ) кипятили при интенсивном перемешивании, затем добавили 1 мл 5% тринатрий цитрата. Реакция шла 15 мин до появления вино-красного цвета, указывающего на образование 20-нм Au NP.

Фабрикация iPLED

Предкурсор ZnO наносили спин-коутингом на ИСО при 4000 об/мин и отжигали при 200 °C в течение 1 ч, получая пленочки ~30 нм. Интерфейсный слой PF-NR2 (2 мг/мл в метаноле + 10 мкл/мл уксусной кислоты) наносили спин-коутингом при 2000 об/мин, образуя слой ~5 нм. P-PPV (6 мг/мл) наносили при 1400 об/мин для получения ~80 нм. После выкачки до 3×10⁻⁴ Па термически испаряли 10 нм MoO₃ и 120 нм Al, формируя пиксель площадью 16 мм². Все этапы, кроме наносения ZnO, выполнялись в перчаточном боксе с азотом (<10 ppm O₂/H₂O).

Характеризация устройств и тонких пленок

Проводящая атомно-силовая микроскопия

c-AFM выполняли с Pt/Ir-покрытым силициевым консолиром жесткостью 3 Н/м, уставкой 1 В и усилением тока 10⁷ В/А. Вольт-амперные характеристики измеряли в перчаточном боксе с помощью Keithley 236 SMU и калиброванного кремниевого фотодиода. Также записывали UV-Vis спектры (Shimadzu UV-3600), толщину пленок (Dektak 150) и AFM (Seiko SPA 400).

Результаты и обсуждение

Характеризация Au NP и пленок PF-NR2

Трансмиссионная электронная микроскопия подтвердила моноразмерные 20-нм Au NP (Рис. 1a). Их пик локального поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) при 520 нм (Рис. 1b) подтверждает размер наночастиц. Смесь PF-NR2/Au NP (PF-NR2/30 пМ Au NP) наносили спин-коутингом, получая пленки ~5 нм; абсорбционные измерения (закон Ламберта-Бера) подтвердили толщину (Рис. 2b).

c-AFM характеристика пленок PF-NR2

Картирование I-V в c-AFM показало выраженное увеличение плотности тока для PF-NR2, легированного 36 пМ Au NP, подтверждая улучшенное электронное внедрение. При 120 пМ проводимость снижалась из-за агрегации наночастиц, что видно по SEM (Доп. файл 1: Рис. S1). Оптимальная концентрация Au NP (36 пМ) обеспечивала максимальный электронный транспорт без ухудшения морфологии пленки (RMS шероховатость выросла с 0,56 до 1,59 нм; Рис. 3).

Фотолюминесцентные измерения (Рис. 6c) подтвердили, что Au NP, локализованные в слое PF-NR2, не гасят излучение P-PPV, что гарантирует, что прирост производительности обусловлен улучшением зарядового транспорта, а не оптическими эффектами.

Интеграция легированного Au NP слоя PF-NR2 в полную структуру iPLED дала увеличение яркости на 94% (с 17 до 33 кд/м²) и улучшение световой эффективности на 101% (с 9,4 до 18,9 кд/А). Эти результаты демонстрируют, что Au NP предоставляют эффективный и масштабируемый путь к улучшению электронного внедрения и общей эффективности устройств.

Заключение

Успешно внедрены 20-нм Au NP в катодный интерфейсный слой PF-NR2, достигнуто двукратное улучшение электронного транспорта без ущерба для оптических характеристик. Пленки PF-NR2 с Au NP показали превосходное электронное внедрение, что привело к увеличению яркости на 94% и световой эффективности на 101% в iPLED. Эта простая, масштабируемая стратегия легирования открывает практический путь к высокоэффективным растворимым OLED.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе исследования, доступны у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

Au NP:

Золотые наночастицы

B-I:

Яркость vs плотность тока

c-AFM:

Проводящая атомно-силовая микроскопия

iPLED:

Инверсный полимерный светодиод

ITO:

Индиевый оловянный оксид

I-V:

Плотность тока vs приложенное напряжение

I-V-B:

Плотность тока–напряжение–яркость

LE-I:

Светоэффективность vs плотность тока

LSPR:

Локальный поверхностный плазмонный резонанс

OLED:

Органический светодиод

P3HT:ICBA:

Поли(3-гексилтиофен): инден-C₆₀ бисаддукт

PEDOT:PSS:

Поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стирол-сульфонат)

PF-NR2:

Поли[(9,9-бис(3'-(N,N-диметиламино)пропил)-2,7-флорен)-альт-2,7-(9,9-диоктилфлорен)]

PL:

Фотолюминесценция

PLED:

Полимерный светодиод

P-PPV:

Полимер-поли(2-(4-(3',7'-диметилоктилоксифенил)-1,4-фенилен-винил)

TEM:

Трансмиссионная электронная микроскопия