Avoiding aggregation to make solution-processed organic a light-emitting diodes work better : a solvent-additive approach

Organic Light-Emitting Diode (OLED) devices are an established and high-quility technology for displays, and first, high-output applications in general-purpose lighting are currently being developed, this being due to their high energy efficiency, lifespan, high chromaticity index, low response time. In order to make such devices even better, more efficient, simple and cost-effective deposition techniques than currently used thermal deposition must be deployed, and, amongst the various others, solution processing techniques are the most promising. The different technologies belonging to this family share the same issue in OLED deposition: the obtained films are not as performant as the ones deposited from thermal vapour, and this is reportedly due to a poor microstructural quality at different length scales down to nanometres. The scope of this work is to collect a checklist-like set of practices meant to improve the overall film quality, with a main focus on material – and especially phosphor – aggregation, working both on solution quality and on deposition parameters. The approach was the following: a well established solution was made, mixing a hole-transport polymer poly(vinylcarbazole) (PVK), an electron-transport molecule 1,3-bis[2-(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7) and a metal-organic phosphor Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) [Ir(ppy)3] in a common solvent. A charting creterion for the common solvent and processing additive choice was developed based on solubility parameters and volatilty, and the effect of deposition parameters was studied. The deposited samples were analysed using standard techniques to check the film quality. Based on the experimental evidence, a series of instructions to improve the film quality by reducing phosphor aggregation was made. This methodology was applied to experimental devices as a proposal for future studies, and the results are reported in the appendix.

I sistemi basati su diodi organici a emissione luminosa (OLED) si sono da diversi anni affermati come la più promettente tecnologia per display, grazie alla loro efficienza energetica, durabilità, eccezionale resa cromatica, basso tempo di risposta. Perché questa tecnologia sia di ancor maggiore portata, occorrono tecniche di deposizione più efficienti, semplici ed economiche di quelle correntemente basate sulla deposizione da fase vapore (PVD), e una di queste è la deposizione da soluzione. La deposizione da fase liquida, tuttavia, non è ancora stata in grado di portare a dispositivi efficienti quanto quelli prodotti con le attuali tecnologie: una delle cause individuate è una microstruttura meno omogenea dei film depositati da PVD alla scala nanometrica. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di elaborare un sistema di semplici criteri per migliorare la microstruttura del materiale depositato, intervenendo tanto sulla qualità della soluzione quanto sui parametri della deposizione. L’approccio è stato quello di utilizzare, in un sistema formato da tre soluti (un polimero conduttore di lacune, un composto organico conduttore di elettroni, e un fosforo metallorganico) disciolti in un solvente comune e in un additivo selezionati in base ai loro parametri di solubilità e alla loro volatilità. L’additivo di processo è stato scelto in modo che agisca su due fronti: migliorare la solubilità del fosforo in soluzione da un lato e dall’altro controllare la precipitazione dello stesso durante l’evaporazione del solvente in fase di deposizione. Si sono dimostrati gli effetti di questo approccio, e sulla base dei risultati sperimentali, si sono proposte alcune regole e metodologie generali, non legate alla specifica scelta di soluti/solventi/additivi usati. Si è infine applicata la metodologia proposta su dispositivi sperimentali, i cui risultati sono riportati in appendice a questo lavoro.