Influence of emitter orientation in perylene based OLEDs

Abstract

Os díodos orgânicos emissores de luz (organic light-emitting diodes ou OLEDs) têm como elemento funcional um filme fino de um semicondutor orgânico para a criação de excitões (pares electrão-lacuna), que emitem luz quando relaxam. O objetivo desta dissertação de mestrado é investigar o efeito da orientação dipolar de filmes baseados em perilenos de tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) e diindenoperylene ( DIP), e das mesmas moléculas dispersas numa ma matriz de 5,6,11,12- tetraphenylnaphthacene (rubreno). O estudo tenta identificar uma possível relação entre o comportamento destes filmes e a eficiência do respetivo OLED. Observa-se que os filmes de DBP são amorfos, apresentam uma superfície lisa e absorvem mais luz do que os filmes de DIP, que se caracterizam por uma estrutura cristalina e uma superfície irregular. Os resultados combinados de simulações e de medições de fotoluminescência com dependência angular revelam que as moléculas de DBP apresentam orientação horizontal, estando as moléculas de DIP orientadas verticalmente. Este facto pode explicar o acoplamento mais forte das moléculas de DIP aos plasmões de superfície, em comparação com o DBP. As características gerais dos filmes de DBP ou DIP mantêm-se mesmo quando estes são depositados nos substratos de N, N '-di(1-naftil-N,N-difenil-(1,1'- bifenil)-4,4' –diamina utilizados ma preparação dos OLEDs, o que permite a comparação direta entre as duas configurações. Os resultados obtidos com os OLEDs baseados em filmes puros de DBP ou DIP apresentam valores de eficiência quântica externa (EQE) da ordem de 0,2 e 0,04 %, respetivamente. Estes valores baixos podem explicar-se pela orientação vertical dos dipolos do DIP, conduzindo a um fator de emissão de 27% (light outcoupling), claramente superior ao obtido com o OLED baseado no DBP (16%). Estas diferenças acentuam-se quando na comparação destes filmes com o comportamento dos filmes rubreno equivalentes dopados com 1% de DBP e DIP. Se por um lado não se observa nenhuma orientação dipolar preferencial no caso do DIP, as moléculas de DBP na matriz de rubreno estão quase na sua totalidade orientadas horizontalmente, o que aumenta o factor de emissão. A forte orientação preferencial no caso do DBP pode igualmente justificar o aumento de EQE de 0,2 % e 0,04% nos OLEDs com os filmes puros de DBP e DIP, para 3% e 0,5% no caso dos OLEDs com os filmes dopados. O aumento da eficiência pode também dever-se ao aumento da transferência energética da matriz de rubreno para os centros emissores. O forte efeito da orientação horizontal do emissor na eficiência dos OLEDs manifesta-se igualmente no notável aumento do factor de emissão de luz observado entre os filmes de DBP (fortemente orientados) e DIP (pouco orientados), que é de cerca de 70% no caso das camadas de emissão baseadas nos filmes puros, e de 44 % no caso dos filmes dopados.

Organic light-emitting diodes (OLEDs) contain thin films of organic semiconductors to create excitons (electron-hole-pairs), which will emit light if they de-excite. The aim of this master thesis is to investigate a possible link between the dipole orientation of perylene based films of tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) and diindenoperylene (DIP), and of the same molecules dispersed in a 5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene matrix. The study also compares the behavior of these films with that of the corresponding OLEDs. It is shown that DBP neat films are essentially amorphous, with a rather smooth surface and they absorb more light than the DIP films, which are crystalline and have a rough surface. Simulation results and angle-dependent p-polarised photoluminescence measurements reveal that the DBP molecules have a horizontal orientation, while the DIP molecules are vertically oriented. This explains the stronger coupling of DIP molecules to the surface plasmons, when compared to the DBP molecules. The general characteristics of the DBP or DIP films do not change when these are deposited onto N,N’-di(1-naphtyl-N,N’-diphenyl-(1,1’-biphenyl)-4,4’diamine hole transport layers used as substrates in OLEDs, thus allowing a direct comparison between both configurations. The OLEDs comprising neat films of DBP or DIP have small external quantum efficiency (EQE) values of 0.2 and 0.04%, respectively. This is probably due to the strong vertical molecular orientation of the DBP, leading to a high lightoutcoupling factor of 27%, when compared to 16% of the DIP OLED. These differences are accentuated when comparing the behavior of the neat films with equivalent rubrene films doped with 1% of DBP or DIP. While the DIP exhibits a rather isotropic orientation, the DBP molecules are fully horizontal within the doped film, thus improving the light-outcoupling. This may partly justify the increase of EQE from 0.2% and 0.04% of the neat film OLEDs to 3% and 0.5% for the doped DBP and DIP OLEDs, respectively. The improvement of the efficiency may also be due to the enhancement of the energy transfer from the rubrene matrix to the emitter dyes. The horizontal orientation of the emitter has a huge effect on the efficiency of perylene-based OLEDs, apparent also on the remarkable increase of the lightoutcoupling of strongly oriented DBP dipoles in comparison to the weakly oriented DIP, which is of the order of 70% in the case of the neat emission layers, and of 44% in the case of the doped counterparts.