המצאה של אור לבן פולטות תאים אלקטרוכימיים עם פליטה יציבה מ Exciplexes

The authors present a method for fabricating stable white-light-emitting electrochemical cells utilizing emission from exciplexes formed between a blue-emitting fluorene polymer and aromatic amines.

המחברים מציגים גישה בודה פליטת אור לבן יציבה פולימר פולטות אור בתאים אלקטרוכימיים (PLECs) בעל שכבה פעילה אשר מורכב של פולי כחול-ניאון (9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) ( PFD) ומולקולות triphenylamine π מצומדות. פליטת אור לבן זה מקורו exciplexes שנוצר בין PFD ו אמין ב מדינות מתרגשות אלקטרוני. מכשיר המכיל PFD, 4,4 ', 4' '- טריס [2-naphthyl (פניל) אמינו] triphenylamine (2-TNATA), פולי (אתילן אוקסיד) ו- K ₂ CF ₃ SO ₃ הראה פליטת אור לבן עם הנציבות Internationale de l'éclairage (CIE) הקואורדינטות של (0.33, 0.43) ו טיוח מדד צבע (CRI) של Ra = 73 ב מתח היישומית מדידות מתח 3.5 V. קונסטנט הראה כי CIE הקואורדינטות של (0.27, 0.37), רא של 67, ואת צבע הפליטה נצפה מייד לאחר היישום של מתח של 5 V היו כמעט ללא שינוי ויציב לאחר300 שניות.

Research and development of polymer light-emitting electrochemical cells (PLECs) have expanded in recent years.^1-15 PLECs are similar to organic light-emitting diodes (OLEDs) in that both are surface emitting organic devices and are expected to find their way into future lighting applications. OLEDs are already on the market, but the cost is still high, one reason being that OLEDs need a complicated device structure with multiple layers. In contrast, PLECs have a very simple device structure which consists of a single active layer (emitting layer) between a pair of electrodes. This means that PLECs are suited to mass production processes such as roll-to-roll printing and coating.

A PLEC has an active layer consisting of a fluorescent π-conjugated polymer (FCP). The FCP can be electrochemically doped with a polymer electrolyte (a mixture of an ion conducting polymer and a salt). The FCP is p-doped on the anode side and n-doped on the cathode side during operation, and generates excitons which emit light between the p- and n-doped regions. Therefore, the emission color reflects the exciton emission (=fluorescence) wavelength of the FCP.

Stable white light emission is important for lighting applications, and color mixing techniques which employ two or more emitters have been widely used to achieve this.^10-14 Recently, we presented a different approach for obtaining stable white light emission, using an active layer which contains blue-fluorescent poly(9,9-di-n-dodecylfluorenyl-2,7-diyl) (PFD) and π-conjugated aromatic amines¹⁵. This white light emission comes from exciplexes formed between PFD and amine molecules in excited states. Exciplex emission has a broader spectrum compared to the exciton emission from the PDF and/or amines, which gives it a color close to that of natural light. This translates to a higher color rendering index (CRI), which is preferable for lighting applications.

In this article, the authors describe the procedure used to fabricate the exciplex based LECs and show the stability of their white light emission.

1. הכנת פתרונות שכבה פעילות

1. פתרון שכבה פעיל עבור מכשירי PFD מסוממים האמינים
   הערה: PFD, 4,4 ', 4' '- טריס [2-naphthyl (פניל) אמינו] triphenylamine (2-TNATA), 9,9-dimethyl- N, N' -DI (1-naphthyl) - N , -diphenyl-9H-fluorene-2,7-diamine 'N (DMFL-NPB), פולי (אתילן אוקסיד) (PEO), שימשו קיבל. Trifluoromethanesulfonate אשלגן (K ₂ CF ₃ SO ₃₎ היה מיובש תחת ואקום ב 200 מעלות צלזיוס במשך שעה 1 לפני השימוש.
   1. עבור מכשירים בעלי PFD: יחס אמין של 1: 0.25, לפזר 10 מ"ג של PFD ו -2.5 מ"ג של האמין ארומטיים 1 מ"ל של כלורופורם ומערבבים עבור שעה 1 ב 40 מעלות צלזיוס. לאלו שיש PFD: יחס אמין של 1: 1, השתמש 10 מ"ג של אמין ארומטיים.
   2. בנפרד, לפזר 10 מ"ג של PEO ב 1 מ"ל של cyclohexanone ומערבבים במשך שעה 1 ב 60 ° C, ו לפזר 2.5 מ"ג trifluoromethanesulfonate אשלגן (KCF ₃ SO ₃₎ ב 1מ"ל של cyclohexanone ומערבבים עבור שעה 1 ב 40 מעלות צלזיוס.
   3. להוסיף 0.78 מ"ל של הפתרון PEO ו 0.147 מ"ל של הפתרון KCF ₃ SO ₃ לפתרון PFD באמצעות micropipettes. מערבב את הפתרון המשולב לבעלים 4 שעות ב 40 מעלות צלזיוס.
   4. סנן פתרון המעורב באמצעות מסנן הממברנה לפני ספין ציפוי.
2. פתרון שכבה פעיל עבור מכשיר PFD undoped
   1. עבור המכשיר PFD undoped, לפזר 10 מ"ג של PFD ב 1 מ"ל של כלורופורם ומערבבים עבור שעה 1 ב 40 מעלות צלזיוס. הצעדים הבאים הם זהים לאלה שתוארו לעיל עבור PFDs המסומם האמין ב 1.1.2 - 1.1.4.

ייצור 2. של תקני LEC

הערה: תהליך יצור התקני LEC מסוכם באיור 1.

1. אולטרסונית נקי תחמוצת אינדיום-בדיל בדוגמת (איטו) זכוכית מצעים עם סבון הכלים המדולל, ואחריו מים מיוננים, אצטון 2-propanol באמצעותבאמבטית קולי שולחן עבודה (38 קילוהרץ) במשך 3 דקות לכל שלב. לבסוף, להסיר את הממס באמצעות מפוח N _2.
2. פנק את המצעים עם UV / O ₃ דקות 3 באמצעות UV / O ₃ בטיפול יחיד על פי הפרוטוקול של היצרן. בצע את תהליך ציפוי שכבה הפעיל תחת אווירה אינרטי בתוך תא הכפפות.
3. גדר מצע ניקה על הראש של coater ספין. לוותר סביב 100 μl של פתרון השכבה הפעילה באמצעות micropipette. ספין המצע כדלקמן: 800 סל"ד במשך 60 שניות, להגביר את קצב 1,000 סל"ד מעל 3 שניות, ואז ספין ב 1000 סל"ד במשך 10 שניות. עובי השכבה הפעיל יהיה בסביבות 150 ננומטר.
4. ייבש את המצעים המצופים למשך הלילה בתא הכפפות.
5. לקנח פולימר עודף כדי להבטיח חיבור אלקטרודה נכון אנקפסולציה.
6. מניח את המצעים על בעל אידוי להפקדה של אלומיניום. טען את הבעל בתא האידוי, תרמית להפקיד רובד 100 ננומטר של אלומיניוםבקצב אידוי של 0.4 ננומטר / sec דרך מסכת אידוי נירוסטה, אשר יש 3 מ"מ פתחים רחבים להפקדת אלקטרודות דלפק אלומיניום.
7. כאשר בתצהיר יושלם, להעביר את ההתקנים על תא הכפפות תחת אווירה אינרטי. החלת חרוז של שרף אפוקסי לריפוי UV בצורת מלבן באמצעות מתקן. מניחים כוס כיסוי (15 מ"מ x 12 מ"מ x 0.7 מ"מ בעובי) על שרף כדי לתמצת את המכשיר (ראה איור 1).
8. לרפא את קרינת UV באמצעות שרף (מינון מצטבר: 6,000 mJ / ² ס"מ, אורך גל: 365 ננומטר) ממקור אור LED UV.

אפיון 3.

1. מדידות JVL
   הערה: צפיפות הזרם (J) -voltage (V) -luminance (L) (JVL) מאפייני הוועדה Internationale de l'Eclairage (CIE) קואורדינטות נמדדו באמצעות גלאי צילום ספקטרלי מאובזרים עם צג מקור זרם מתח DC. מערכת המדידה נשלטת על ידימחשב עם תוכנת שליטה מותאמת אישית עבור רכישת נתונים. המערכת כוילה הפרוטוקול של היצרן הבא ומדידות בוצעו בחושך תחת וילון שחור.
   1. חברו את מסופי לאנשי הקשר של המכשיר עם קליפים תנין. מניחים את המכשיר על הבמה המדידה.
   2. הפעל את תוכנת בקרה לרכישת נתונים. המערכת שולטת על מתח מיושם ועדכן לאורך זמן ואוספת את ספקטרום הפליטה ידי ספקטרומטר דרך סיב אופטי.

Electroluminescence (EL) ספקטרה שמשה לצורך חישוב קואורדינטות CIE וערכי CRI (איורים 2, 4, 5). צילום תמונות של מכשירי הפולטים נאספו כדי לאמת את הלובן של הפליטה (איור 3).

ספקטרה EL של מכשירי PFD מסוממים האמינים ומכשיר PFD undoped מוצגת באיור 2. מכשיר PFD undoped הראה פליטה כחולה שמתאימה פליטת אקסיטון PFD. בינתיים, 2-TNATA ואת התקנים מסוממים DMFL-NPB הראה פליטת אורך גל ארוך יותר בהשוואה למכשיר PFD undoped. הפליטה מן ההתקנים מסוממים האמינים שמקורה exciplexes שנוצר בין PFD ו האמין ב מדינות מתרגשות אלקטרוני.

2-TNATA ואת התקנים מסוממים DMFL-NPB הראה פליטת אור לבן כפי שניתן לראות photogra צבע phs של מכשירים פולטי (איור 3). שינויי קואורדינטות CIE של המכשירים מסוממים האמינים (יחסי סימום של PFD: אמין = 1: 0.25 ו 1: 1). מוצג באיור 4 המכשיר המסומם 2-TNATA (PFD: 2-TNATA = 1: 0.25) CIE הראה הקואורדינטות של (0.33, 0.43) ו טיוח מדד צבע (CRI) של Ra = 73 ב _מדליק V = 3.5 V (V _מדליק מוגדר כמתח הנדרש כדי לייצר בהיקות של מעל 1 cd / ס"מ ² במהלך מדידת מתח לטאטא) והמכשיר מסוממים DMFL-NPB עם אותו יחס של PFD: DMFL-NPB (1: 0.25) הראה CIE הקואורדינטות של x = 0.23, y = 0.33, וכן CRI של Ra = 54 ב- V _מדליק = 3.5 V. צבע הפליטה של המכשיר המסומם DMFL-NPB היה מעט כחול מוזז בהשוואה לזו של המכשיר המסומם 2-TNATA. זאת בשל הבדל exciplex להרכיב ביכולות של אמינים עם PFD, עם 2-TNATA בעל יכולת טובה יותר כדי ליצור exciplexes מ DMFL-NPB. ¹⁵

איור 1. תהליך ייצור של מכשיר בקר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2. ספקטרום פליטת EL של PLECs, 2-TNATA מסומם, DMFL-NPB מכשירים מסוממים ו undoped.e.jove.com/files/ftp_upload/54628/54628fig2large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. תצלום של פליטת אור מן ההתקנים מסוממים האמינים יחס סימום של PFD:. אמין = 1:.. 1 א) 2-TNATA מכשיר מסומם ב) מכשיר מסומם DMFL-NPB (ברים בקנה מידה:. 5 מ"מ) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

שינויים איור 4. ב CIE הקואורדינטות של 2-TNATA ואת התקנים מסוממים DMFL-NPD עם הגדלת מתח א) מכשירים עם יחס סימום של PFD:. אמין = 1:. 1 ב) </ strong> מכשירים עם יחס סימום של PFD: אמין = 1:. 0.25 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. אבולוציה זמנית של א) CIE קואורדינטות, בהיקות ובהווה, ו ב) יעילות, בהיקות, ובהווה של 2-TNATA מסומם PLECs. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הבקר יש שכבה פעילה המכילה PFD הידרופובי אמין ארומטיים, ותחמוצת פוליאתילן הידרופילי KCF ₃ SO _3. מאחר וחומרים אלה יש solubilities שונה מאוד, הכנה קפדנית של פתרון ציפוי הספין היא קריטית כדי למנוע solvation השלם. כל חייבים להיות מומס ראשון בנפרד ובאופן מוחלט בממסים עם יכולת solvating מספיק, אז הפתרונים מעורבבים יחד כדי ליצור תערובת אחידה. איזון פליטות אקסיטון ו exciplex הוא מפתח להשגת פליטה לבנה. לפיכך, הסכומים של PFD ו אמינים חייבים להימדד בדיוק.

בשנת LECs חשוב גם לשלוט מורפולוגיה שלב ההפרדה של השכבה הפעילה. המחברים ניסו להשתמש פולימרי מוליכי יון אחרים כגון ethoxylate trimethylolpropane (TMPE-OH) ¹⁶ במקום PEO, אבל המכשיר מפוברק עם TMPE-OH לא לתפקד בתור בקר. החומרים הידרופובי (PFD ארומטיאמינים) ואת אלקטרוליט פולימר הידרופילי נוטים שלב נפרד, כלומר חומרים חייב להיות שנבחרו בקפידה.

UV-אור משמש כדי לרפא שרף עלול לפגום חומר השכבה הפעילה. לכן, באור UV היא האירה מהצד שהופקד האלומיניום באמצעות כיסוי זכוכית כדי להימנע מחשיפה מיותרת.

בהשוואה לשיטות שבן חומרים פולטי אור המרובים משמשים, ^10-14 השיטה המתוארת לעיל יש יתרון גדול בכך פליטת אור לבן ניתן להשיג רק באמצעות התוספת של תרכובות פשוטות כגון אמינים ארומטיים. כדי לייצר אור גבוה CRI לבן, זה יהיה הכרחי כדי להשיג פליטת להקה רחבה עם ספקטרום קרוב יותר אור שמש. בגלל exciplexes בדרך כלל לייצר פליטות פס רחבות, למצוא שילובים טובים יותר של פולימרים ו אמין פולט אור כחול צריך לעשות את זה ניתן להשיג Cris המורכב הללו.

איור 5 מראה זמן evolution של בהיקות, צפיפות זרם, קואורדינטות CIE ויעילות של הבקר 2-TNATA המסומם מיושם מתח קבוע של 5 V. איור 4 מראה את ההתנהגות הטיפוסית של בקר, כגון הגדלת בהיקות וצפיפות נוכחית ושינויים יעילים במהלך מבצע 30 השניות הראשונות.

המחברים ובכך הוכיחו את הליך הייצור עבור PLECs עם פליטת אור לבן ניצול פליטת exciplex שמקורם PFD ו אמין. המחברים גם הראו את היציבות של פליטת אור הלבנה הזה, נכס אשר חשוב במיוחד עבור יישומי תאורת שטח גדולים.

The authors have nothing to disclose.

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי גרנט ב- Aid למחקר מדעי (מס '24,225,003). עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי תאגיד JX Nippon Oil & Energy.