DESENVOLVIMENTO DE OLEDs BASEADOS EM COMPLEXOS
DE TERRAS-RARAS E MOLÉCULAS FOSFORESCENTES
Aluna: Luísa M. Braga Orientador: Marco Cremona
Introdução
Nos últimos anos ocorreu um grande desenvolvimento de atividades de pesquisa para a realização de fontes de radiação luminosa integradas baseadas em materiais orgânicos.Dentro desta área de pesquisa, os OLEDs (dispositivos orgânicos eletroluminescentes) [1] têm se destacado devido, principalmente, a características tais como o baixo custo e a facilidade de produção, além da alta eficiência e da possibilidade de fabricá-los sobre substratos flexíveis, tornando-os prováveis competidores no mercado de emissores de luz. No Laboratório de Espectroscopia Óptica e Optoeletrônica Molecular da PUC-Rio (LOEM) são estudados novos materiais em forma de filmes finos para diferentes aplicações em OLEDs. Ao longo dos anos, o LOEM já adquiriu experiência reconhecida nesta área, tanto no Brasil quanto no exterior.
O projeto desenvolvido pelo aluno de iniciação científica envolve o processo de produção e caracterização de dispositivos orgânicos eletroluminescentes a partir de complexos orgânicos fosforescentes como o de Irídio [Ir (ppy)3] e o de terra rara de Európio [Eu(DBM)3Phen]. O primeiro é um complexo de metal pesado com propriedades fosforescentes, o que resulta em uma maior eficiência de emissão luminosa. Já o complexo de Európio possui propriedades únicas a partir de sua configuração eletrônica [Xe] 4fn com uma emissão com linhas muito estreitas, resultando em uma cor mais pura, e, consequentemente, viabilizando seu uso em displays.Os equipamentos utilizados são aqueles em dotação nos laboratórios do grupo de pesquisa e também de outros com os quais o LOEM possui uma forte colaboração. Cabe frisar que o nosso grupo de pesquisa pertence ao Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica (INEO-MCT), no qual exerce a vice-coordenação.Este projeto se enquadra dentro da área de Física da Matéria Condensada Experimental e tem como principal objetivo a produção, o desenvolvimento e a caracterização de dispositivos orgânicos eletroluminescentes para diferentes aplicações, com ênfase nas áreas de nano-materiais e eletrônica orgânica.
Objetivos
O principal objetivo deste projeto foi fabricar e caracterizar dispositivos OLEDs baseados em complexos de terras raras e moléculas fosforescentes. Como parte do processo, o bolsista precisou aprender a depositar os filmes finos através das várias técnicas disponíveis (evaporação térmica resistiva e spin-coating). Além de caracterizar os filmes finos morfologicamente, utilizando o perfilômetro e opticamente utilizando o espectrofotômetro e o fluorímetro (fotoluminescência). Para o processo de fabricação dos OLEDs baseados em complexos de terras raras e de moléculas fosforescentes foi necessário desenvolver técnicas de encapsulamento que permitissem um maior tempo de vida útil do dispositivo. Na caracterização dos dispositivos OLEDs baseados em
complexos de terras raras e moléculas fosforescentes, as medidas ópticas e elétricas foram realizadas com a utilização do espectroradiômetro, do fluorímetro (eletroluminescência) e de medidas de tensão e corrente.
Metodologia
Para a produção e caracterização dos dispositivos OLEDs é necessário a execução das seguintes etapas: (i) preparação dos substratos, (ii) crescimento dos filmes finos e (iii) caracterização (Morfológica, Óptica e Elétrica).
1) Preparação dos substratos: 1.1) Limpeza :
Os substratos utilizados consistem em lâminas de vidro recobertas com óxido de Índio dopado com Estanho (ITO), com uma determinada litografia padrão. Em seguida tais substratos passam por um procedimento rigoroso de limpeza, para finalmente poderem ser utilizados para o crescimento do filme fino de semicondutor orgânico (SO). Nessa etapa os substratos passam por uma limpeza manual onde se utiliza três substâncias: éter de petróleo (para remover a gordura), acetona e por fim, o álcool isopropílico. Ainda contamos posteriormente com uma vibração feita no ultrassom. Nele faz se duas passagens de 15 minutos dos substratos, utilizando novamente, acetona e álcool.
2) Crescimento dos filmes finos :
O crescimento dos filmes finos é feito através das seguintes técnicas: (a)
spin-coating(via úmida); (b) Evaporação térmica resistiva.
2.1) Spin –Coating:
Utiliza-se o spin-coating no crescimento de filmes finos de SO poliméricos. Nessa técnica é feito um pré-aquecimento das amostras no aparelho de ultra violeta. Nele é controlado a temperatura e o tempo de exposição aos raios UV. Posteriormente leva-se as amostras ao sistema do spin-coating. O tempo e a velocidade de rotação do substrato são controlados a fim de determinar a espessura final do filme fino, considerando que a sua espessura influenciará diretamente o funcionamento do dispositivo. Contamos ainda com um terceiro processo, o pós aquecimento da amostra. O objetivo do pós aquecimento é obter uma melhor homogeneidade do filme.
2.2) Evaporação térmica resistiva.
O esquema para deposição por evaporação térmica contém os seguintes aparatos: Glove-Box ( equipamento necessário para controle da atmosfera, onde encontra-se a evaporadora térmica assim como determinados materiais suscetíveis a oxigênio e água) ; evaporadora térmica ; amperímetro ; lanterna.
A evaporadora consiste num complexo sistema de deposição. Ela é composta por duas bombas de vácuo ( bomba mecânica e bomba turbo), duas fontes de tensão, eletrodos onde posiciona-se os cadinhos e permite-se a passagem de corrente, dois cristais de quartzo para controle dos parâmetros da deposição, uma camisa envoltória de aço inox , uma campana para fechamento da câmara de vácuo , uma válvula para alívio da pressão, um porta amostrafeito de maneira a melhor posicionar o substrato diante a deposição , um motor de passo para mudança da posição do porta amostra e possibilitar a deposição de mais de um material sem que se desmonte o aparato.
Fig. 3: Sistema de deposição de filmes finos.
Fig. 4: Esquema das posições dos cadinhos na câmara de deposição
Porta-‐substrato Controlador de espessura Cadinhos Válvula
O crescimento de filmes de semicondutores orgânicos, por evaporação térmica, ocorre da seguinte maneira:
a) Posicionamento dos cadinhos nos eletrodos em suas devidas posições e com os respectivos materiais ( essas posições são determinadas pelo material que será utilizado)
b) Fixação das lâminas de vidro no porta amostras, e em seguida encaixe do porta amostras no eixo do motor de passo.
c) Fechamento do complexo com a camisa envoltória e a campana. d) Fechamento da válvula.
e) Acionamento das bombas de vácuo. No primeiro instante acionamos a bomba mecânica, aquele que trabalha com valores de vácuo menores. A posteriori , quando estabelecido um vácuo de 1,2E-1 , liga-se a bomba turbo. Para o funcionamento da bomba turbo é necessário que se ligue uma circulação de água para o arrefecimento da mesma. Com uma sequência de luzes no controlador, se indica o perfeito funcionamento das bombas ou a acusação de algum erro.
f) Após duas horas, pode-se configurar o controlador (aquele que recebe as informações do cristal ) com os parâmetros do material que será depositado. Para isso é preciso as seguintes informações: densidade do material, tooling fator( um fator de correção ) , z-ratio, espessura final, taxa de deposição.
g) Ligar a fonte de tensão h) Ligar o amperímetro.
i) Aumentar gradativamente a corrente (através do controlador) para que ela flua através dos eletrodos e ,em consequência, dos cadinhos. Com isso , a temperatura nos cadinhos vai elevando-se, fazendo subir a temperatura do material até que ele começa a evaporar ou sublimar. O aumento da corrente ocorre até o momento em que se consiga estabilizar a taxa de deposição pré-estabelecida. Assim abre-se o porta amostra por meio do comando no motor de passo, verificando sua posição com uma lanterna.
j) Esperar que atinja a espessura desejada.
k) Repete-se o mesmo procedimento para a próxima camada desejada no dispositivo.
l) Por fim, desligar o sistema na sequência inversa que se usou para ligar. Os OLEDs apresentam arquitetura com várias camadas de material orgânico, cada uma com uma determinada função. Nos dispositivos fabricados utiliza-se uma camada
transportadora de buracos (cargas positivas), camadas emissoras e camadas
transportadoras de elétrons. Para dispositivos mais eficientes, a camada emissora foi codepositada com dois materiais, uma matriz e um dopante.
3) Caracterização (Morfológica, Óptica e Elétrica) : 3.1) Absorção:
Para as medidas de absorbância foi necessária a fabricação de filmes finos de 30 nm de espessura depositados sobre substratos de quartzo. As curvas de absorbância foram obtidas através do espectrofotômetro (HP8452A) e estão representadas nas figuras 5 e 6: 200 400 600 800 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 [Ir (ppy)3] Ab so rb â n ci a
C omprimento de O nda (nm)
200 400 600 800 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Ab so rb â n ci a
C omprimento de O nda (nm)
[E u (D B M)3 P hen]
3.2) Eletroluminescência:
Uma vez o OLED fabricado a medida de eletroluminescência se faz necessária para a análise do espectro de emissão do dispositivo. Para isto o dispositivo foi
Fig. 6: Curva de absorbância do filme fino do complexo[Eu(DBM)3Phen].
posicionado dentro do aparelho do fluorímetro sendo alimentado por um gerador de tensão e corrente. Em seguida foram realizadas medidas de espectro em função da tensão aplicada. Nas figuras 7 e 8 são apresentados os espectros de eletroluminescência para os dispositivos baseados nos complexos de [Ir(ppy)3] e [Eu(DBM)3Phen] respectivamente. 400 500 600 700 0 1 2 3 4 In te n si d a d e ( u .a )
C omprimento de O nda (nm)
5V 6V 7V 8V X 106 400 500 600 700 0 1 2 3 4 5 6 7 In te ns id ad e (u .a )
C omprimento de O nda (nm)
5V 6V 7V 8V x106 3.3) Luminância:
A medida da luminância é tão importante quanto à de eletroluminescência, pois esta possibilita a quantificação da intensidade luminosa do OLED dada em candela por metro quadrado(cd/m2). Assim se torna possível comparar a intensidade luminosa do OLED com outros dispositivos. Os resultados desta medida para os dispositivos baseados nos complexos de [Ir (ppy)3] e [Eu(DBM)3Phen] são apresentados nas figuras 9 e 10.
Fig. 7: Espectro de eletroluminescência do OLEDbaseado no complexo de[Ir (ppy)3].
Fig. 8: Espectro de eletroluminescência do OLEDbaseado no complexo de [Eu(DBM)3Phen].
0 2 4 6 8 10 12 14 16 1E -‐4 0,01 1 100 10000 1000000 Lu m in ân ci a (c d/ m 2 ) C orrente (mA ) 0 1 2 3 4 5 0,01 1 100 Lu m in ân ci a (c d/ m 2 ) C orrente (mA )
3.4) Medidas de Corrente e Tensão (i x V):
Medidas de corrente e tensão são fundamentais para a determinação do perfil elétrico do dispositivo OLED. Este comportamento é descrito por uma curva exponencial da corrente em função da tensão aplicada. A partir destas medidas, torna-se possível identificar, como por exemplo, a presença de armadilhas de cargas, o mecanismo dominante de injeção de carga em função da tensão aplicada e determinar uma mobilidade efetiva de cargas sobre o dispositivo. Na Figura 11 e 12 são apresentados as curvas de corrente e tensão para os OLEDs baseados nos complexos de [Ir (ppy)3] e
[Eu(DBM)3Phen], respectivamente.
Fig. 9: Medida da luminância do OLED baseado no complexo de[Ir (ppy)3].
0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 Co rr en te ( m A ) V olts (V )
O L E D de [Ir(ppy)3]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 1 2 3 4 5
O L E D de [E u (D B M)3 P hen]
Co rr en te ( m A ) V olts (V )
Conclusão
Este projeto de iniciação científica teve como principal objetivo a produção e caracterização de OLEDs baseados em complexos orgânicos fosforescentes e de terras raras. A partir da fabricação do OLED baseado no complexo fosforescente de Irídio foi possível confirmar a posição de sua banda de emissão em 530nm, além de medir um alto valor de luminância, de 26.690 cd/m2 quando o dispositivo é alimentado com uma tensão de 11V. Os valores encontrados estão de acordo com os disponíveis na literatura. Já na deposição do dispositivo de Európio, a maior distinção deveu-se à pureza do seu espectro com estreitas linhas de emissão, indicador da presença do íon de terra rara. Para este dispositivo os resultados encontrados foram de 612nm para a principal linha de emissão e de 160 cd/m2 para e luminância medida a 15V. Em ambos osOLEDs fabricados, foi constatado pelo aluno um aumento considerável da expectativa de vida dos dispositivos uma vez encapsulados.
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.
Fig. 11: Medida corrente e tensão do OLED baseado no complexo de [Ir (ppy)3].
Referências
[1] C.W. Tang, et. al., “Organicelectroluminescentdiodes”, Appl. Phys. Lett., v. 51, p. 913, (1987)
[2] Pereira, L., et. al., Organic Light-EmittingDiodes ,Pan Stanford Publishing, p. 360, 2012.
[3] Velasco, D. S., et al., “Preparation, Characterization, andSpectroscopicPropertiesof PC/PMMA DopedBlends: StudyoftheEffectofRare-Earth Doping onLuminescence, Quenching Rate, andLifetimeEnhancement,” JournalofPhysicalChemistry. B, v. 114, pp. 5657-5660, 2010.
