Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/29831
Title: Highly efficient organic light emitting diodes based on thermally activated dedlayed fluorescent materials
Other Titles: Díodos orgânicos emissores de luz de grande eficiência baseados em materiais com fluorescência lenta ativada termicamente
Author: Kumar, Manish
Advisor: Pereira, Luiz Fernando Ribeiro
Keywords: OLEDs, TADF, Efficiency, Solution-processed, Recombination region
TADF
Efficiency
Solution-processed
Recombination region
Defense Date: Apr-2020
Abstract: Thermally activated delayed fluorescence emitters (TADF) emerged as one of the most promising candidates for next-generation highly efficient light-emitting materials up to 100% theoretical limit of internal quantum efficiency. They have been studied extensively in thermally processed organic light-emitting diodes (OLEDs). However, their use in solution-processed OLEDs is not advanced due to charge carrier transport, excitation quenching, and the use of a suitable host in a simple device structure. The efficiency of solution-processed OLEDs is limited by the fabrication parameters such as the thickness of organic layers and printing of the cathode type, and in TADF materials, it is difficult to optimize the fabrication parameters that can be implemented for the device applications. The present thesis focuses on the use of fundamental colors red, green, and blue TADF emitters to fabricate highly efficient but relatively simple device structures that can be used for large-area applications. A particularly interesting TADF based OLED design required a host-guest strategy by dispersing a small weight percentage of guests into an appropriate host matrix. The host helps to transfer the charge to the emitter and prevent the triplet exciton quenching increasing the device performance. The investigation encompasses three different emitters and five different types of hosts, which have either p-type, n-type or bipolar characteristics. The choice of host material enables us to assess the impact of energy levels, charge transport properties on device performance and helps to choose the best host: guest combination for efficient device fabrication. Using mixed p-type, n-type and bipolar host system of poly(N-vinylcarbazole) (PVK) with 1,3-Bis(N-carbazolyl)benzene (mCP), 1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)- 1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7), 2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl1-H-benzimidazole) (TPBi) and 4,4′-Bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl (CBP) and bis[2- (diphenylphosphino) phenyl] ether oxide (DPEPO) as host materials, the work presented in this thesis demonstrates high-performance of OLEDs of redorange 2-[4 (diphenylamino)phenyl]-10,10-dioxide-9H-thioxanthen-9-one (TXOTPA), green 2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)-1,3,4-oxadiazole (2PXZOXD) and blue bis[4-(3,6-dimethoxycarbazole)phenyl]sulfone (DMOC-DPS) emitters. Both thermally and solution-processed methods, and their hybrid approach were used for device fabrication. In thermally processed OLEDs of red TXO-TPA, we report an external quantum efficiency (EQE) of 11.22%, current efficiency (ȠC) of 17.50 cd A-1 , power efficiency (ȠP) of 9.16 lm W-1 with high luminescence (Lmax) of >13400 cd m-2 and a turn-on voltage of 4V with the Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) coordinates of (0.45, 0.45). In solution deposited devices, using the different hosts and thickness parameters, we report an EQE of 18.54% at a low current density of 3 mA cm-2 , Lmax over 10000 cd m-2 with a ȠC of 33.77 cd A-1 , ȠP of 26.52 lm W-1 that turns on at 2.8V in the solution-processed 2PXZ-OXD emitter. The optimized devices exhibited excellent suppressed roll-off, and at 1000 cd m-2 , the EQE is 14%, which is highest among the best reported in such emitters. Along with the effect of thickness of both the emissive layer (EML) and the electron transport layer (ETL) on the device performance is also discussed. The results represent among the high-performance green TADF OLEDs in a simple device structure. Besides, the basic photophysics studies of emitters in different host matrixes with different concentrations were also investigated. In the end, a large area of fundamental panels OLEDs up to 16 cm2 successfully fabricated for real lighting applications. The large-area thermally evaporated OLEDs based on red TXO-TPA emitters exhibited an excellent EQE of 17.75% in a three-organic layer device, which is highest for any TADF large-area OLED ever reported.
Materiais TADF (Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitters) surgem como os mais promissores candidatos para a próxima geração de materiais luminescentes de alta eficiência, com um limite de 100% de eficiência quântica interna. Nos naos recentes, têm sito exaustivamente estudados como emissores em OLEDs (Organic Light emitting Diodes) particularmente por processos de evaporação térmica em estruturas complexas. Contudo, limitações a nível de transporte de carga elétrica, quenching e de materiais para a matriz da camada emissiva, têm dificultado o avanço do fabrico por deposição a partir da via húmida em estruturas simplificadas. A eficiência de OLEDs depositados por via húmida, é limitada pelos parâmetros de fabricação e em particular com os materiais TADF é difícil a sua otimização. O trabalho desta tese é focado no desenvolvimento de OLEDs baseados em materiais TADF (nas cores fundamentais, vermelho, verde e azul) de alta eficiência e e estruturas simples, usando processos de fabrico por via húmida com potencial de aplicação em emissores de larga área. A estrutura de um OLED baseado em TADFs, baseiase no conceito host: guest, dopando uma matriz de um host apropriado com o TADF. O host ajuda a transferir a carga para o emissor e evita o usual quenching do emissor. A investigação abrange três emissores diferentes e cinco tipos diferentes de hosts, que possuem características do tipo p, tipo n ou bipolar. A escolha do material do host permite avaliar o impacto dos níveis de energia e as propriedades de transporte no desempenho do dispositivo. Usando um sistema host p-type, n-type ou bipolar de poly(N-vinylcarbazole) (PVK) com 1,3-Bis(N-carbazolyl)benzene (mCP), 1,3-Bis[2-(4-tert-butylphenyl)- 1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene (OXD-7), 2,2',2"-(1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl1-H-benzimidazole) (TPBi) e 4,4′-Bis(N-carbazolyl)-1,1′-biphenyl (CBP) e bis[2- (diphenylphosphino) phenyl] ether oxide (DPEPO) como materiais host, o trabalho apresentado neste tese mostra OLEDs com alta performance dos TADFs laranja-vermelho 2-[4 (diphenylamino)phenyl]-10,10-dioxide-9Hthioxanthen-9-one (TXO-TPA), verde 2,5-bis(4-(10H-phenoxazin-10-yl)phenyl)- 1,3,4-oxadiazole (2PXZ-OXD) e azul bis[4-(3,6- dimethoxycarbazole)phenyl]sulfone (DMOC-DPS). Nos OLEDs procesados por evaporação térmica, (TXO-TPA), foi obtida uma eficiência quântica externa (EQE) de 11.22%, uma eficiência de corrente (ȠC) de 17.50 cd A-1 , uma eficiência de potência (ȠP) de 9.16 lm W-1 e um brilho (Lmax) >13400 cd m-2 com um turn-on voltage de 4V e coordenadas de cor (CIE) de (0.45, 0.45). Nos OLEDs depositados por via húmida para o emissor 2PXZ-OXD, foi obtido um EQE de 18.54% a muito baixas densidades de corrente (3 mA cm-2 ), Lmax > 10000 cd m-2 com ȠC de 33.77 cd A-1 , ȠP de 26.52 lm W-1 e um turn-on voltage de 2.8V. Os dispositivos optimizados têm uma excelente supressão do roll-off, onde, para um brilho de 1000 cd m-2 , a EQE é 14%, que é o melhor resultado alguma vez reportado para este emissor. É também discutido o efeito da espessura da camada emissiva (EML) e da camada de transporte de eletrões (ETL) no desempenho do dispositivo. Além disso, os estudos fotofísicos básicos de emissores em diferentes matrizes com diferentes concentrações também foram investigados. No final, OLEDs de larga área, de até 16 cm2 foram fabricados com sucesso para aplicações reais de iluminação. Os OLEDs de grande área com evaporação térmica baseados em emissores vermelhos TXOTPA exibiram um excelente EQE de 17,75% em um dispositivo de três camadas orgânicas, que é mais alto para qualquer OLED de grande área TADF já relatado.
URI: http://hdl.handle.net/10773/29831
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