Les nanoparticules d'or boostent le transport d'électrons dans l'interface cathodique PF‑NR2 pour des iPLEDs à haute performance

Résumé

Pour élargir l'impact commercial des diodes électroluminescentes organiques (OLED), les polymères LED inversés traités en solution (iPLED) émergent comme une plateforme prometteuse. Cependant, l'efficacité du transport d'électrons de la couche d'interface cathodique — spécifiquement le PF‑NR2 — reste un goulot d'étranglement. Dans cette étude, nous avons incorporé des nanoparticules d'or (Au NP) de 20 nm dans la couche PF‑NR2 à un ratio optimisé. La microscopie à force atomique conductive (c‑AFM) a démontré une augmentation substantielle de la conductivité électronique, attribuable à l'excellente conductivité métallique des Au NP. Les dispositifs fabriqués avec la couche PF‑NR2 dopée aux Au NP ont affiché une hausse de 94 % de la luminance (de 17 k cd m⁻² à 33 k cd m⁻²) et une amélioration de 101 % de l'efficacité lumineuse (de 9,4 cd A⁻¹ à 18,9 cd A⁻¹). Ces résultats fournissent une stratégie pratique et évolutive pour améliorer les performances des iPLED à haut rendement.

Introduction

Au cours des deux dernières décennies, les OLED ont attiré une attention considérable en raison de leur flexibilité, légèreté et fabrication rentable. Le traitement en solution offre une voie vers une production évolutive à faible coût, pourtant le déploiement commercial des iPLED reste limité par des couches de transport de charge sous-optimales. L'interface cathodique, notamment le polymère PF‑NR2, est critique pour équilibrer l'injection d'électrons et de trous. Des travaux antérieurs ont montré que des modifications de chaînes latérales du PF‑NR2 peuvent améliorer l'injection d'électrons, mais la mobilité électronique intrinsèque du polymère reste modeste. Les nanoparticules métalliques — en particulier l'or — présentent une conductivité électrique exceptionnelle et des propriétés plasmoniques qui peuvent être exploitées pour améliorer le transport de charge dans les couches organiques. Cette étude explore l'incorporation de Au NP de 20 nm dans la couche d'interface PF‑NR2 et évalue leur impact sur le transport d'électrons et les performances du dispositif.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Le PF‑NR2 a été synthétisé via un couplage de Stille catalysé au Pd entre le 2,7‑dibromo‑9,9‑bis(3‑(N,N‑diméthylamino)propyl)fluorène et le 2,7‑bis(4,4,5,5‑tétraméthyl‑1,3,2‑dioxaborolan‑2‑yl)‑9,9‑dioctylfluorène dans le toluène/Na₂CO₃ sous argon. Après reflux, le produit a été précipité dans le méthanol, filtré et lavé à l'acétone pour éliminer les oligomères, donnant 0,28 g (rendement isolé 77 %). Le P‑PPV, le verre ITO et le PEDOT:PSS proviennent de fournisseurs commerciaux. Les nanoparticules d'or (20 nm) ont été synthétisées par la méthode de réduction au citrate de Frens.

Préparation du précurseur d'oxyde de zinc (ZnO)

L'acétate de zinc dihydraté (1 g) et l'éthanolamine (0,28 g) ont été dissous dans le 2‑méthoxyéthanol (10 mL) et agités pendant 12 h pour former la solution précurseur de ZnO.

Synthèse des Au NP

HAuCl₄ (0,25 mM) a été porté à ébullition sous agitation vigoureuse, puis 1 mL de citrate de trisodium à 5 % a été ajouté. La réaction a duré 15 min jusqu'à l'apparition d'une couleur rouge vin, indiquant la formation d'Au NP de 20 nm.

Fabrication des dispositifs iPLED

Le précurseur ZnO a été déposé par essorage sur ITO à 4000 tr/min et recuit à 200 °C pendant 1 h, donnant des films d'environ 30 nm. L'intercouche PF‑NR2 (2 mg mL⁻¹ dans le méthanol + 10 µL mL⁻¹ d'acide acétique) a été essorée à 2000 tr/min, formant une couche d'environ 5 nm. Le P‑PPV (6 mg mL⁻¹) a été essoré à 1400 tr/min pour donner environ 80 nm. Après évacuation à 3 × 10⁻⁴ Pa, 10 nm de MoO₃ et 120 nm d'Al ont été évaporés thermiquement, définissant une surface de pixel de 16 mm². Toutes les étapes, sauf le dépôt du ZnO, ont été effectuées dans une boîte à gants azote (<10 ppm O₂/H₂O).

Caractérisation des dispositifs et couches minces

Microscopie à force atomique conductive

La c‑AFM a été réalisée avec un cantilever Si recouvert Pt/Ir de raideur 3 N m⁻¹, point de consigne 1 V, et amplification de courant (10⁷ V A⁻¹). Les courbes I‑V‑B ont été mesurées en boîte à gants avec un Keithley 236 SMU et une photodiode Si étalonnée. Les spectres UV‑Vis (Shimadzu UV‑3600), l'épaisseur des films (Dektak 150) et l'AFM (Seiko SPA 400) ont également été enregistrés.

Résultats et discussion

Caractérisation des Au NP et du film PF‑NR2

La microscopie électronique en transmission a confirmé des Au NP monodisperses de 20 nm (Fig. 1a). Leur pic de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) à 520 nm (Fig. 1b) valide la taille des nanoparticules. Le mélange PF‑NR2/Au NP (PF‑NR2/30 pM Au NP) a été essoré pour produire des films d'environ 5 nm d'épaisseur ; les mesures d'absorbance (loi de Lambert‑Beer) ont corroboré l'épaisseur (Fig. 2b).

a Image MET. b Spectres d'absorption des Au NP

a Structure moléculaire du PF‑NR2. b Variation d'épaisseur du PF‑NR2 sous différentes conditions de fabrication mesurée par spectroscopie UV‑Vis

Caractérisation c‑AFM des films minces PF‑NR2

La cartographie I‑V par c‑AFM a révélé une augmentation prononcée de la densité de courant pour le PF‑NR2 dopé avec 36 pM d'Au NP, confirmant une injection d'électrons améliorée. À 120 pM, la conductivité a diminué en raison de l'agrégation des nanoparticules, comme le montre le MEB (Fichier additionnel 1 : Fig. S1). Le chargement optimal en Au NP (36 pM) a fourni le transport d'électrons le plus élevé sans compromettre la morphologie du film (rugosité RMS passant de 0,56 nm à 1,59 nm ; Fig. 3).

Morphologie de surface PF‑NR2 par AFM a, b images de hauteur sans et avec Au NP et c image de phase avec Au NP (zone de balayage 1,0 µm × 1,0 µm)

a Schéma du test c‑AFM. b, c Caractéristiques I‑V près d'une unique Au NP et représentation de la hauteur d'une unique Au NP dans la couche PF‑NR2. Les emplacements des chiffres colorés dans l'image en encart correspondent à la couleur de la courbe I‑V

Dispositifs à électrons uniquement ITO/ZnO (30 nm)/PF‑NR2 (5 nm, avec et sans Au NP)/P‑PPV (80 nm)/CsF (1,5 nm)/Al (120 nm)

a Schémas du transport d'électrons amélioré proposé de la couche hybride avec structure inversée. b Structure moléculaire du PF‑NR2. c Spectroscopie PL du P‑PPV avec et sans Au NP

Les mesures de photoluminescence (Fig. 6c) ont confirmé que les Au NP, confinés dans la couche PF‑NR2, ne quenching pas l'émission du P‑PPV, assurant que les gains de performance observés proviennent d'un transport de charge amélioré plutôt que d'effets optiques.

a Densité de courant vs tension appliquée (I‑V). b Luminance vs densité de courant (B‑I), et c Efficacité lumineuse vs densité de courant (LE‑I) sous différentes conditions lorsque le P‑PPV est utilisé comme couche émissive dans les iPLED, respectivement

L'intégration de la couche PF‑NR2 dopée aux Au NP dans une pile iPLED complète a produit une augmentation de 94 % de la luminance (de 17 k cd m⁻² à 33 k cd m⁻²) et une amélioration de 101 % de l'efficacité lumineuse (de 9,4 cd A⁻¹ à 18,9 cd A⁻¹). Ces gains démontrent que les Au NP offrent une voie efficace et évolutive pour améliorer l'injection d'électrons et le rendement global du dispositif.

Conclusions

Nous avons incorporé avec succès des Au NP de 20 nm dans la couche d'interface cathodique PF‑NR2, réalisant une amélioration double du transport d'électrons sans compromettre les performances optiques. Les films PF‑NR2 dopés aux Au NP ont présenté une injection d'électrons supérieure, entraînant une augmentation de 94 % de la luminance et une hausse de 101 % de l'efficacité lumineuse dans les iPLED. Cette stratégie de dopage simple et évolutive offre une voie pratique vers des OLED à haut rendement traités en solution.

Disponibilité des données et matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés lors de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

Au NP :

Nanoparticules d'or

B‑I :

Luminance vs densité de courant

c‑AFM :

Microscopie à force atomique conductive

iPLED :

Diode électroluminescente polymère inversée

ITO :

Oxyde d'indium et d'étain

I‑V :

Densité de courant vs tension appliquée

I‑V‑B :

Densité de courant–tension–luminance

LE‑I :

Efficacité lumineuse vs densité de courant

LSPR :

Résonance plasmonique de surface localisée

OLED :

Diode électroluminescente organique

P3HT:ICBA :

Poly(3‑hexylthiophène) : bisadducte d'indène‑C₆₀

PEDOT:PSS :

Poly(3,4‑éthylènedioxythiophène) : poly(styrène‑sulfonate)

PF‑NR2 :

Poly[(9,9‑bis(3′-(N,N‑diméthylamino)propyl)-2,7‑fluorène)-alt‑2,7‑(9,9‑dioctylfluorène)]

PL :

Photoluminescence

PLED :

Diode électroluminescente polymère

P‑PPV :

Poly‑poly(2-(4-(3′,7′‑diméthyloctyloxyphényl)-1,4‑phénylène‑vinylene)

TEM :

Microscope électronique en transmission