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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2020.tde-21012021-103709
Document
Author
Full name
Viviane Nogueira Hamanaka
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Fonseca, Fernando Josepetti (President)
Cavallari, Marco Roberto
Molina, Celso
Rubio, Mario Ricardo Gongora
Santos, Gerson dos
Title in Portuguese
Desenvolvimento de diodos orgânicos emissores de luz por blade coating.
Keywords in Portuguese
Blade coating
Diodos
Dispositivos eletrônicos
Eletrônica orgânica
Morfologia
OLED
Spin coating
Abstract in Portuguese
Diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) tem sido amplamente utilizados em displays e fontes de iluminação em diversos produtos comerciais. Estes são em geral fabricados por métodos de deposição física em fase vapor (PVD) de pequenas moléculas orgânicas que requerem a utilização de câmaras de vácuo, e apresentam custo elevado e baixo rendimento. Deste modo, tem-se buscado o desenvolvimento de métodos de deposição de materiais orgânicos em solução. O método de blade coating, que consiste na formação de um menisco entre a solução, a lâmina e o substrato seguido de seu arraste resultando na deposição de um filme fino de material sobre uma superfície, apresenta-se como uma alternativa promissora para a deposição das camadas de materiais orgânicos. Não só em OLEDs mas, em outros tipos de dispositivos eletrônicos orgânicos como células solares orgânicas e transistores de filme fino. Neste trabalho foram desenvolvidos dois sistemas automatizados de deposição de filmes finos por blade coating. Um com duas fontes de energia térmica de modo a promover a rápida remoção do solvente, e outro com dimensões compactas que pode ser facilmente inserido e utilizado dentro de ambiente inerte de uma glovebox. Estes sistemas foram utilizados com sucesso na obtenção de filmes finos de espessura nanométrica de materiais semicondutores orgânicos comumente utilizados como camada injetora de buracos (HIL), camada transportadora de buracos (HTL) e camada emissiva (EML) em dispositivos OLED. Filmes finos de PEDOT:PSS depositados por blade coating apresentaram boa uniformidade e baixa rugosidade, similar aos filmes obtidos por spin coating. OLEDs com HIL de PEDOT:PSS depositada por ambos os métodos apresentaram eficiência e tempo de vida similares. Porém, o método de blade coating apresentou como vantagens a eliminação da etapa de tratamento de superfície dos substratos de vidro-ITO com plasma RIE de O2 e a utilização de um volume de solução 15 vezes menor do que o volume necessário para a deposição por spin coating. A influência dos métodos de deposição nas camadas HTL e EML também foi investigada. Medidas de fotoluminescência resolvida do tempo (TrPL) mostraram que os filmes obtidos por blade coating apresentam maior tempo de vida do éxciton do que os filmes obtidos por spin coating, indicando que a técnica de blade coating produz filmes com morfologias mais uniformes e com menos agregados. O dispositivo OLED com EML de CPB:Ir(ppy)3 depositada por blade coating apresentou valores mais altos de eficiência quântica externa (EQE = 8,6% em 20 mA/cm2) do que o OLED com a EML depositada por spin coating (6,4%). Além disso, o dispositivo obtido por blade coating apresentou uma redução da intensidade do pico de emissão de eletroluminescência (~510 nm) em cerca de 52% do seu valor inicial após 20 min. de stress elétrico, enquanto que para o dispostivo obtido por spin coating a redução observada foi de 74%. A maior eficiência e o maior tempo de vida dos dispositivos obtidos por blade coating é provavelmente resultado de uma morfologia de filme mais uniforme ou menos agregada. Essas descobertas demonstram que a técnica de blade coating é promissora para a fabricação de OLEDs e outros tipos de dispositivos eletrônicos orgânicos baseados em solução mais eficientes e com maior tempo de vida.
Title in English
Development of organic light emitting diodes by blade coating.
Keywords in English
Blade coating
Morphology
OLED
Organic electronics
Spin coating
Abstract in English
Organic light-emitting diodes (OLEDs) have been widely used in displays and lighting sources in several commercial products. These are in general manufactured by methods of physical vapor deposition (PVD) of small molecules that requires the use of vacuum chambers, and in general have high cost and low yield. Thus, the development of methods for depositing organic materials in solution has been pursued. Blade coating consists in the formation of a meniscus between the solution, the blade and the substrate followed by its drag resulting in the deposition of a thin film of material on a surface. This is a promising alternative for the deposition of organic material layers not only for OLEDs but also for other types of organic electronic devices such as organic solar cells and thin film transistors. In this work, two automated systems for thin film deposition by blade coating were developed. One system presents two heating sources for fast solvent removal and the other is a compact system that can be easily inserted and used within an inert glovebox environment. These systems were successfully used to coat nanometric thickness thin films of organic semiconductor materials commonly used as hole injection layer (HIL), hole transport layer (HTL) and emissive layer (EML) in OLED devices. Thin films of PEDOT:PSS deposited by blade coating presented good uniformity and low roughness, similar to spin-coated films. OLED devices with PEDOT:PSS HIL deposited by both methods presented similar efficiency and lifetime, however, blade coating shows as advantages, the elimination of the process step for glass-ITO substrate surface treatment with O2 RIE plasma and the use of 15 times less solution volume than the volume required for the spin coating deposition. The effect of coating methods was also investigated for the HTL and EML layers. Transient photoluminescence measurements (TrPL) showed that blade-coated films have longer exciton lifetimes than spin-coated films, indicating that blade coating leads to films with less aggregated and more uniform morphologies. OLEDs with a blade-coated CBP:Ir(ppy)3 EML exhibited an external quantum efficiency (EQE) at 20 mA/cm2 of 8.6% versus 6.4% in case of device with the same structure but with a spin-coated EML. Additionally, the blade coated CBP:Ir(ppy)3-based device showed a decrease in electroluminescence emission peak (~510 nm) by about 52% from its initial value after 20 min. of electrical aging, whereas for the spin-coated device, the decrease was 74%. The higher efficiency and longer lifetime in the blade coated devices are likely a result of a more uniform or less aggregated film morphology. These findings demonstrate that blade coating is a promising solution-based fabrication technique to enable more efficient and longer-lived, solution-coated OLEDs and organic optoelectronic devices.
 
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Publishing Date
2021-01-29
 
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