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OLED Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di.

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1 OLED Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DEIM) A.A

2 Materiali organici Composti del carbonio (+ H, O, N, S o P) C + H = idrocarburi (acetilene, etilene, propilene) Idrocarburi aromatici = formati da anelli di benzene Molecole organiche più semplici: monomeri (basso peso molecolare) Catena ripetuta di monomeri: polimeri (es: cellulosa, DNA, polistirolo, nylon…)

3 Polimeri conduttori E’ possibile drogare i polimeri (1977)! Premio Nobel per la chimica 2000: Alan J. Heeger, Alan J. Heeger, Alan J. HeegerAlan J. Heeger Alan G. MacDiarmid e Alan G. MacDiarmid e Alan G. MacDiarmidAlan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa Hideki Shirakawa Hideki ShirakawaHideki Shirakawa

4 Forme ed energie degli orbitali della molecola H 2 : orbitali leganti ed antileganti conducibilità delocalizzazione elettronica orbitali molecolari sovrapposizione orbitali s legame    

5 Orbitali molecolari  e  se si sovrappongono orbitali p…   E  < E 

6 Struttura elettronica della molecola di etene legami doppi C due orbitali 2p di un atomo si legano con il 2s dell’altro tre orbitali ibridi sp 2 (in un piano a 120° l’uno dall’altro) con gli atomi vicini: legami  e il terzo orbitale atomico??? p z si sovrappone all’altro p z e forma una coppia di orbitali molecolari  elettroni delocalizzati spazialmente

7 Delocalizzazione degli elettroni nella molecola del benzene polimeri coniugati scambiando un legame singolo con uno doppio, la struttura non risulta alterata

8 Struttura del poliacetilene tutte le molecole organiche con struttura coniugata possiedono elettroni delocalizzati lungo la catena

9 Bande di energia nei composti organici Orbitale  (legante): BANDA DI VALENZA Orbitale   (antilegante): BANDA DI CONDUZIONE Orbitale   (antilegante): BANDA DI CONDUZIONE HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital - La conducibilità dipende dal grado di delocalizzazione degli elettroni (grado di sovrapposizione) - Gli elettroni possono muoversi facilmente all’interno della catena polimerica - Gli elettroni si muovono con difficoltà tra catene polimeriche adiacenti - Tra una catena e l’altra gli elettroni devono effettuare dei piccoli salti (hopping) - Minore mobilità rispetto ai semiconduttori inorganici - La bandgap dipende dall’estensione dei legami coniugati di tipo  : un’estensione maggiore causa il restringimento della bandgap!

10 Bande di energia in un cristallo

11 Materiali amorfi: densità degli stati e mobilità distribuzione di potenziale non periodica impurezze struttura reticolare disordinata stati localizzati o centri trappola all’interno della gap (shallow levels) Il disordine strutturale non altera il numero totale degli stati energetici ma porta alla loro ridistribuzione sebbene E C ed E V si sovrappongano… all’interno della gap la conduzione può avvenire solo per hopping Il comportamento è paragonabile a quello di un materiale cristallino

12 Livelli energetici dell’Alq 3 piccole distorsioni molecolari 0,15 eV

13 Materiali a basso peso molecolare e polimeri 1.Monomeri e oligomeri 2.Polimeri sublimazione termica spinning o dipping più puri e più alta mobilità (0, cm 2 /Vs) possibile realizzare strutture multistrato degrado dovuto ai contatti e al film HTL

14 Transizione vetrosa degrado dovuto ai contatti e al film HTL (hole-transport layer) i polimeri hanno T g più elevata

15 Deposizione di film organici: OMBE temperatura più alta di quella di sublimazione ma più bassa di quella di decomposizione chimica 0,01-10 nm/s

16 Deposizione di film organici: metodo di Langmuir-Blodgett HYDROPHILIC

17 Deposizione di film organici: spinning

18

19 Deposizione di film organici: dipping h

20 Deposizione di film organici: stampa a getto d’inchiostro 65  m minore efficienza rispetto allo spinning (problema del profilo dei punti)

21 Purificazione del materiale: gradient sublimation Il processo richiede almeno due cicli e parecchi giorni!! TsTs

22 Materiali emissivi: l’Alq 3 M(C 9 H 6 NO) n 8-chinolina famiglia dei chelati - stabile - proprietà emissive - buon trasportatore di elettroni

23 Struttura fisica dell’OLED HTL ETL -EML HTL: blocca gli elettroni e permette il trasporto delle lacune come?... dove avviene la ricombinazione?... nell’Alq 3 :  n = e  p = cm 2 /Vs ricombinazione vicino agli elettrodi (senza HTL) DIVERSO DA GIUNZIONE P-N!!

24 Iniezione e trasporto negli OLED: posizione livelli energetici ANODO CATODO

25 Iniezione e trasporto negli OLED: iniezione e ricombinazione Al tunneling emissione termoionica

26 Quale modello per la corrente? Fowler-Nordheim? non sono rette! dipendenza da T (effetto tunnel)

27 Quale modello per la corrente? Emissione termoionica? La corrente non è determinata dall’iniezione di cariche dagli elettrodi ma dalle proprietà di trasporto dei materiali organici

28 Quale modello per la corrente? Modello TCL (trapped charge-limited) V basse la corrente dovuta alla generazione termica di cariche libere predomina rispetto alla corrente dovuta alle cariche iniettate dagli elettrodi la densità di corrente J è proporzionale al campo elettrico applicato (conduzione ohmica)

29 Quale modello per la corrente? Modello TCL (trapped charge-limited) 0,15 eV V > 5-8 V E Fn moooooooolto più pratico ricordare che:

30 Modello TCL (trapped charge-limited) I  V m+1 I  V

31 Il processo di emissione eccitone zona di ricombinazione

32 Il processo di emissione q in questo modo si determina la lunghezza di diffusione delle lacune e la regione di emissione

33 Rilassamento di Franck-Condon dovuto ai piccoli cambiamenti energetici che si manifestano in presenza di un eccitone quando un elettrone passa ad un livello più alto, poiché i nuclei sono più pesanti degli elettroni, la transizione elettronica si svolge più velocemente della risposta dei nuclei i nuclei iniziano a vibrare e oscillano rispetto ad una nuova distanza R 1 di equilibrio, maggiore della loro distanza originaria R 0

34 Processi di ricombinazione I materiali organici usati per i LED sono isolanti (  ~  cm) Senza iniezione di carica non è presente alcun elettrone libero La ricombinazione avviene tramite coppie e-h legate tra loro tramite una forza elettrostatica (≠ ricombinazione banda-banda) fattore di bilancio di carica (< 1) spin antiparalleli, momento angolare totale NULLO spin paralleli, momento angolare totale NON NULLO 1/4

35 Stati di singoletto e tripletto bande stati vibrazionali e rotazionali poco probabile (deve variare lo spin) idem… materiali fosforescenti…

36 Vantaggi degli OLED Trasparenza Alto grado di purezza Uniformità del film Flessibilità meccanica Basso costo dei materiali Capacità di ottenere tutti i colori dello spettro Elevata purezza cromatica Ampio angolo di osservazione (emissione lambertiana) Discrete efficienze luminose Tempi brevi di risposta

37 Applicazioni degli OLED

38 1. Passive-Matrix OLED (PMOLED) Perpendicular cathode/anode strip orientation Light emitted at intersection (pixels) External circuitry Turns on/off pixels Turns on/off pixels Large power consumption Used on 1-3 inch screens Used on 1-3 inch screens Alphanumeric displays Alphanumeric displays

39 Full layers of cathode Patterned anode, organic molecules Thin Film Transistor matrix (TFT) on top of anode Internal circuitry to determine which pixels to turn on/off Internal circuitry to determine which pixels to turn on/off Less power consumed then PMOLED Used for larger displays Used for larger displays 2. Active-Matrix OLED (AMOLED)

40 3. Transparent OLED TOLED Transparent substrate, cathode and anode Bi-direction light emission Passive or Active Matrix OLED Useful for heads-up display Transparent projector screen Transparent projector screen glasses glasses

41 4. Top-emitting OLED TEOLED Non-transparent or reflective substrate Transparent Cathode Used with Active Matrix Device Smart card displays

42 5. Foldable OLED Flexable metalic foil or plastic substrate Lightweight and durable Reduce display breaking Clothing OLED

43 6. White OLED Emits bright white light Replace fluorescent lights Reduce energy cost for lighting True Color Qualities

44 6. White OLED Cellphone backlight white OLED vs standard LED from Organic Lighting Technologies LLC

45 OLED Advantages over LED and LCD Thinner, lighter and more flexible Plastic substrates rather then glass High resolution (<  m pixel size) and fast switching Do not require backlight, light generated Low voltage, low power and emissive source Robust Design (Plastic Substrate) Larger sized displays Brighter- good daylight visibility Larger viewing angles -170°

46 OLED Display Disadvantages Lifetime White, Red, Green  46, ,000 hours White, Red, Green  46, ,000 hours About 5-25 years Blue  14,000 hours Blue  14,000 hours About 1.6 years Expensive Susceptible to water Overcome multi-billion dollar LCD market

47 Dispositivi commerciali Kodak LS633 EasyShare with OLED displayThe Sony 11-inch XEL-1 OLED TV Samsung Roadmap ,15, and 21 inch OLED panel to 42 inch full HD OLED panel Toshiba Roadmap 2009 – 30 inch Full HD panel

48 A 2'x2' white light prototype by GE World’s First OLED Lamp Dispositivi commerciali

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