DESENVOLVIMENTO DE OLEDs BASEADOS EM MOLÉCULAS FOSFORESCENTES

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1 DESENVOLVIMENTO DE OLEDs BASEADOS EM MOLÉCULAS FOSFORESCENTES Aluno: Isadora de Carvalho Reis Orientador: Marco Cremona Introdução O estudo das propriedades elétricas e ópticas em semicondutores orgânicos (SO) vem crescendo consideravelmente nos últimos anos, sobretudo pelo potencial tecnológico, baixo custo, facilidades de produção e alta eficiência. O dispositivo orgânico emissor de luz (OLED) é um exemplo, bem como os transistores orgânicos e os dispositivos fotovoltaicos. No Laboratório de Espectroscopia Óptica e Optoeletrônica Molecular da PUC-Rio (LOEM) são estudados novos materiais em forma de filmes finos para diferentes aplicações nesses dispositivos. Os OLEDs baseados em compostos fosforescentes são muito promissores para o mercado de displays e iluminação uma vez que são eficientes e podem emitir nas três cores fundamentais (vermelho, verde, azul) com alta pureza espectral. O período de iniciação científica envolveu o aprendizado de técnicas de produção e caracterização de OLEDs. Em particular, o projeto desenvolvido teve como foco a fabricação de dispositivos baseados em moléculas orgânicas fosforescentes de Ir(ppy)₃ e Ir(fliq)₂acac. As propriedades fosforescentes de ambas as moléculas são provenientes do alto peso atômico do íon metálico de Irídio, o que resulta em uma maior eficiência de emissão luminosa. Objetivos O principal objetivo do projeto foi fabricar e caracterizar OLEDs baseados em moléculas fosforescentes, bem como atuar nas diversas atividades do laboratório. Como parte do processo, o aluno aprendeu técnicas de deposição de filmes finos (evaporação térmica resistiva e spin coating). Por sua vez, a caracterização dos filmes finos envolveu medidas de propriedades morfológicas, utilizando o perfilômetro, e medidas de propriedades ópticas, utilizando o espectrofotômetro UV-Vis e o fluorímetro (foto e eletroluminescência). Para o prolongamento da vida útil dos OLEDs foi necessário utilizar uma técnica de encapsulamento. Metodologia Para a produção e caracterização dos OLEDs é necessário a execução das seguintes etapas: preparação dos substratos, crescimento dos filmes finos e caracterização. Preparação de Substratos Os substratos utilizados são compostos por uma lâmina de vidro que é coberta com óxido de Índio e Estanho (ITO), com uma determinada litografia padrão. Em um primeiro momento, esses substratos passam por um processo de limpeza, que é essencial para o bom funcionamento do dispositivo. Esse processo se divide em 3 etapas. Primeiramente, realiza-se uma limpeza manual com água e detergente, focando na remoção de gordura. Em seguida, os substratos são deixados em água deionizada a 120 C por aproximadamente 15 minutos. Essa etapa visa

2 remover impurezas da superfície do vidro por meio da agitação de partículas causada pelo aumento de temperatura. A última etapa envolve a utilização do aparelho de ultrassom, que, através de vibrações mecânicas, também é responsável por retirar impurezas da superfície do vidro. Os substratos são colocados nesse aparelho durante 10 minutos em acetona seguidos de 10 minutos em álcool isopropílico. Crescimento de Filmes Finos O crescimento de filmes finos pode ser feito utilizando-se duas técnicas diferentes: evaporação térmica resistiva e spin coating. a) Evaporação Térmica Resistiva O processo do crescimento de filmes finos de semicondutores orgânicos, por evaporação térmica envolve os seguintes passos: Inicialmente coloca-se o material a ser evaporado em um cadinho de tungstênio, que é fixado entre dois eletrodos, por onde circulará uma corrente que irá aquecer o cadinho por efeito Joule. Posiciona-se o porta amostras com os substratos onde serão crescidos os filmes. O posicionamento do porta amostras é controlado por um motor de passo. Coloca-se uma camisa de aço inox para proteger a campana dos materiais que serão depositados. É colocado também um vidro para possibilitar o acompanhamento do processo. Fecha-se a câmara de deposição. Primeiro, liga-se a bomba mecânica, e, em seguida, a bomba turbo. Espera-se cerca de 3 horas para iniciar a deposição, uma vez que precisa-se atingir um alto vácuo na câmara. Durante a deposição utiliza-se um controlador, que monitora a taxa de deposição e a espessura do filme. Aumenta-se a corrente elétrica gradativamente. A deposição começa quando a corrente elétrica que passa no cadinho produz calor suficiente para evaporar o material. Quando a espessura desejada é atingida, zera-se a corrente. Esse procedimento pode ser repetido para outros materiais, de forma a produzir várias camadas de materiais. Terminada a deposição, desliga-se a bomba turbo e, em seguida, a bomba mecânica.

3 b) Spin Coating Figura 1. Sistema de fabricação de OLEDs por evaporação térmica resistiva O spin coating é um procedimento utilizado para depositar filmes finos uniformes em substratos a pressão ambiente. O processo consiste em aplicar uma pequena quantidade de solução do material no centro do substrato. Em seguida, o substrato é submetido a rotação, com o objetivo de espalhar a solução uniformemente devido a ação da força centrífuga. A espessura desejada é atingida variando-se os parâmetros de aceleração, velocidade angular e tempo. O equipamento utilizado para essa técnica é chamado spin coater. Fabricação de OLEDs Foram fabricados dispositivos orgânicos emissores de luz, baseados nas moléculas fosforescentes de de Ir(ppy)₃ e Ir(fliq)₂acac. Ambos os dispositivos foram depositados na evaporadora térmica e possuem uma camada co-depositada. Uma co-deposição consiste em uma deposição simultânea de dois materiais, uma matriz, presente em maior quantidade, e um dopante. A estrutura do OLED baseado no composto de Ir(ppy)₃ foi: ITO / TAPC (25nm) / Tcta : Ir(ppy)₃ (20nm;10%) / TPBi (20nm) / Al (100nm) A estrutura do OLED baseado no composto de Ir(fliq)₂acac foi: ITO / TAPC (25nm) / Tcta : Ir(fliq)₂acac (20nm;10%) / TPBi (20nm) / Al (100nm) Em ambos os dispositivos, o ITO foi utilizado como eletrodo positivo e o alumínio como eletrodo negativo. Podemos observar que ambas as estruturas são semelhantes, mudando apenas o material dopante na co-deposição, que foi responsável pela cor dos dispositivos nos dois

4 casos. O dispositivo baseado no composto de Ir(ppy)₃ emitiu no verde e o dispositivo baseado em Ir(fliq)₂acac emitiu no vermelho. Uma vez fabricados, os dispositivos foram caracterizados quanto aos seus comportamentos elétricos e ópticos, utilizando medidas de tensão-corrente. Gráficos característicos IxV, são importantes quando se deseja estudar e analisar o comportamento da corrente que atravessa o dispositivo, mediante a aplicação de uma diferença de potencial Tensão (V) Tensão (V) Figura 2. Gráficos IxV dos OLEDs baseados em Ir(ppy)₃ e Ir(fliq)₂acac, respectivamente A Figura 2 apresenta as curvas de tensão e corrente para os dispositivos baseados em Ir(ppy)₃ e em Ir(fliq)₂acac. Pode-se observar que o OLED baseado na molécula de Ir(fliq)₂acac começa a saturar quando se alcança a tensão de aproximadamente 11V.

5 0.8 Intensidad (unid.arb.) mA 0.125mA 0.100mA Comprimento de Onda (nm) Figura 3. Espectros de Eletroluminescência dos OLEDs baseados em Ir(ppy)₃ e Ir(fliq)₂acac, respectivamente A Figura 3 apresenta os espectros de eletroluminescência para ambos os dispositivos. Enquanto o OLED baseado na molécula de Ir(ppy)₃ possui um pico de emissão em torno de 540nm (verde), no OLED baseado em Ir(fliq)₂acac, o pico se encontra em torno de 670nm (vermelho). Figura 4. Fotografias do OLED baseado em Ir(ppy)₃ desligado e ligado em 12V

6 Conclusões Este projeto de iniciação científica teve como principal objetivo a produção e caracterização de OLEDs baseados nas moléculas fosforescentes de Ir(ppy)₃ e em Ir(fliq)₂acac. O desenvolvimento deste trabalho ofereceu ao aluno uma introdução na área da Eletrônica Orgânica e, principalmente, serviu de grande aprendizado, visto que ele precisou desenvolver as habilidades necessárias para o manuseio dos equipamentos, aperfeiçoamento das técnicas de deposição, aquisições dos dados e análise dos resultados. Além disso, o período na iniciação científica serviu como um primeiro contato com a área de pesquisa e seus desafios. O aluno pôde vivenciar o cotidiano de trabalho de um laboratório ao lado de pesquisadores. Assim, pode-se dizer que o aluno adquiriu, não só conhecimentos na área de pesquisa, mas também experiências em relações interpessoais e em trabalho em grupo. Referências [1] - C.W. Tang, et al., Organic electroluminescent diodes, Appl. Phys. Lett. v. 51, p. 913, (1987) [2] - CAMARGO, H., et al., New rare-earth quinolinate complexes for organic light emitting devices, Thin Solid Films, v. 528, p , 2013 [3] - Velasco, D. S., et al., Preparation, Characterization, and Spectroscopic Properties of PC/PMMA Doped Blends: Study of the Effect of Rare-Earth Doping on Luminescence, Quenching Rate, and Lifetime Enhancement, Journal of Physical Chemistry. B, v. 114, p , 2010