Hiểu về tính chất hóa học và điện tử của vật liệu OLED

Tác giả

Paul Mack, Thermo Fisher Scientific East Grinstead, West Sussex, UK

Từ khóa

ESCALAB, Band Gap, OLED, REELS, Surface Analysis, UPS, Valence Level, XPS, Nexsa

Vật liệu thành phần cho OLED đã được phân tích để hiểu tính chất hóa học bề mặt và xác định biểu đồ mức năng lượng dựa trên phân tích trạng thái HOMO và LUMO.

Giới thiệu

Màn hình Organic LED (OLED) được kỳ vọng sẽ là tương lai của ngành công nghiệp màn hình. Màn hình OLED thường tiêu thụ ít điện năng hơn so với các màn hình hiện có trên thị trường. Do đó, màn hình di động có thể chạy lâu hơn chỉ với một lần sạc pin. Một vật liệu OLED là poly (9,9-dioctylluorene) hoặc PFO. PFO là vật liệu phát ra ánh sáng xanh có độ sáng cao với điện áp bật thấp. Tuy nhiên, nó có khe hở quang học lớn và điều đó có nghĩa là để tận dụng tối đa tiềm năng của nó đối với màn hình OLED, thiết kế tổng thể của thiết bị OLED phải được phát triển và kiểm soát cẩn thận để ngăn ngừa bất kỳ tương tác bất lợi nào với các chất mang điện tích trong màng PFO.

Để hiểu được sự tương tác của PFO với các hạt mang điện, cần phải hiểu cấu trúc điện tử của chính PFO. Điều này đòi hỏi một phương pháp phân tích đa kỹ thuật.

Thermo Fisher Scientific cung cấp các thiết bị XPS, chẳng hạn như ESCALAB và Nexsa, có thể được cấu hình với các tùy chọn đa kỹ thuật, cho phép nghiên cứu phần lớn cấu trúc điện tử của PFO chỉ bằng một công cụ duy nhất.

Thí nghiệm kết quả

Một màng PFO 30 nm được lắng đọng trên một chất nền thủy tinh và được phân tích sau khi được lưu trữ trong một hộp đựng bằng chất huỳnh quang trong vài ngày. Phân tích được thực hiện trên Thermo Scientiic™ ESCALAB™ Xi+, có thể được cấu hình với nhiều tùy chọn khác nhau để phân tích đa kỹ thuật và chuẩn bị mẫu. Phân tích nguyên tố bằng XPS của bề mặt PFO (Hình 1) cho thấy một lượng nhỏ oxy (0,6 at%) trên bề mặt màng. Bản thân PFO chỉ chứa carbon (do đó có đỉnh carbon mạnh trong quang phổ) nên oxy quan sát được phải là chất gây ô nhiễm lắng đọng trên bề mặt trong quá trình lưu trữ hoặc vận chuyển. Phân tích hóa học chi tiết của cacbon là được thực hiện bằng cách sử dụng XPS có độ phân giải năng lượng cao (Hình 2).

Theo cách này, XPS có thể được sử dụng để đo độ tinh khiết bề mặt của màng PFO. Đỉnh mạnh nhất trong quang phổ là do các chuyển đổi cấp lõi trong cacbon thơm và mạch thẳng của polyme PFO. Các đỉnh nhỏ do các chuyển đổi hóa trị trong PFO cũng được quan sát thấy. Các đỉnh này chứa thông tin cần thiết nếu muốn hiểu toàn bộ cấu trúc điện tử của PFO, nhưng các đỉnh tương đối yếu và chúng bị xoắn với các đỉnh cấp lõi. Tuy nhiên, khi sử dụng phương pháp tiếp cận đa kỹ thuật, chúng ta có thể phân tích các chuyển đổi hóa trị này dễ dàng hơn.

Hầu hết các công cụ XPS của Thermo Scientific, bao gồm ESCALAB, đều cung cấp phổ mất năng lượng của electron phản xạ (REELS - Reflected Electron Energy Loss Spectroscopy) theo tiêu chuẩn. Kỹ thuật này, đo các điện tử từ chùm tia tới bị tán xạ bởi bề mặt trên cùng, là kỹ thuật lý tưởng để nghiên cứu độ thơm và độ không bão hòa của cacbon. Có thể nghiên cứu mức hóa trị của polyme thơm mà không bị nhiễu từ các chuyển đổi cacbon ở cấp độ lõi. Ngoài ra, kỹ thuật này cực kỳ nhạy với bề mặt và có thể thu được thông tin từ 1 nm trên cùng của bề mặt.

Một ví dụ về dữ liệu REELS từ một màng polystyrene chất lượng cao được thể hiện trong Hình 3. Polystyrene có một xương sống polyme aliphatic dài với các nhóm bên phenyl: mỗi nhóm phenyl giống hệt nhau về mặt hóa học. Phổ REELS cho thấy một đỉnh nhọn duy nhất ở 6,6 eV và một gờ rộng ở khoảng 20 eV.

Gờ rộng là do tương tác của chùm electron chính với plasmon mạng, nhưng đáng chú ý hơn trong công trình này, đỉnh nhọn là do các chuyển đổi π sang π* trong các mức hóa trị thơm. Một đỉnh đơn phản ánh môi trường hóa học duy nhất của các nhóm phenyl.

Phân tích REELS của PFO trong Hình 4 cho thấy hai đỉnh π-π*, có lẽ là từ hai môi trường liên kết thơm khác nhau của vòng cacbon 5 và 6 cạnh. Các đỉnh này là do cùng một quá trình chuyển đổi gây ra các đỉnh nhỏ trong quang phổ XPS cacbon nhưng chúng không bị xoắn hoặc che khuất bởi các quá trình chuyển đổi cấp lõi. π-π1* đỉnh ở mức năng lượng mất 3.7 eV là do sự chuyển đổi hóa trị từ mức liên kết π chiếm chỗ cao nhất sang mức chống liên kết π* chưa chiếm chỗ thấp nhất.

Do đó, sự tách biệt năng lượng giữa các mức này là 3,7 eV. Đỉnh thứ hai là do sự chuyển đổi từ cùng một mức π nhưng đến một mức π* cao hơn, nằm ở khoảng 2,2 eV phía trên mức chưa bị chiếm thấp nhất. Thông tin này liên quan đến năng lượng của các đỉnh này sẽ được sử dụng sau này để đo khoảng cách dải của màng PFO.

Thông tin thêm về mức hóa trị của PFO đã được thu thập bằng phương pháp quang phổ điện tử cực tím (UPS). UPS sử dụng nguồn phóng điện heli, có năng lượng thấp hơn đáng kể so với tia X K-α nhôm đơn sắc được sử dụng cho XPS, khiến nó trở nên lý tưởng phù hợp để nghiên cứu các chuyển đổi dải hóa trị. Sử dụng UPS, có thể đo điện thế ion hóa của màng OLED, cũng như nhiều thông số mức hóa trị khác (Hình 5). Đặc biệt, vì vị trí mức Fermi có thể được xác định từ UPS của mẫu màu vàng, nên có thể đo năng lượng của quỹ đạo phân tử chiếm chỗ cao nhất trực tiếp từ dữ liệu UPS. Quỹ đạo phân tử này giống hệt với mức liên kết π liên quan đến quá trình chuyển đổi π-π* được quan sát thấy trong REELS.

Vì năng lượng của mức π được biết từ UPS và dữ liệu REELS cung cấp khoảng cách năng lượng từ mức này đến các mức π*, nên có thể tạo ra sơ đồ của các mức năng lượng (hoặc cấu trúc điện tử) của PFO. Với sơ đồ này, sau đó có thể dễ dàng tính toán khoảng cách dải 3,3 eV cho PFO phù hợp với giá trị đã công bố. Thông tin về cấu trúc điện tử hóa trị là cần thiết nếu muốn tạo ra các thiết bị OLED dựa trên PFO được tối ưu. Để tạo ra các thiết bị OLED, PFO sẽ được pha tạp với các vật liệu khác để điều chỉnh và kiểm soát cấu trúc dải, thay đổi đặc tính phát sáng của thiết bị. Sử dụng phương pháp đa kỹ thuật được trình bày cho PFO không pha tạp, cấu trúc điện tử của màng pha tạp có thể được phân tích và mô tả.

Tóm tắt

Hiệu suất của các thiết bị dựa trên OLED phụ thuộc vào tính chất hóa học và điện tử của vật liệu được sử dụng. Bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận đa kỹ thuật, chúng tôi đã chỉ ra cách các nhà khoa học và kỹ sư có thể mô tả đặc điểm của vật liệu OLED ứng viên, phát hiện chất gây ô nhiễm trên bề mặt và hiểu cách cấu trúc điện tử của chúng ảnh hưởng đến hoạt động của chúng.

Lời cảm ơn

Thermo Fisher Scientific xin cảm ơn Harry M. Meyer III, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Hoa Kỳ, đã cung cấp các mẫu và những thảo luận hữu ích.

Tài liệu tham khảo

1. L. S. Liao, Applied Physics Letters, Vol. 76, No. 24, 12 June 2000

Để biết thêm chi tiết về Vật liệu OLED và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.