Organische opto-elektronische apparaten, zoals organische lichtemitterende diodes (OLED's), gebruiken moleculen met specifieke structuren die op dunne films zijn gerangschikt. Bovendien is de opstelling van deze moleculen op elk oppervlak cruciaal voor de verschillende processen die in deze apparaten plaatsvinden.

Deze opstelling wordt bepaald door twee primaire factoren:de afzettingssnelheid (hoe snel de moleculen worden geplaatst) en de oppervlaktetemperatuur. Lagere depositiesnelheden en hogere temperaturen vergemakkelijken de juiste opstelling, wat resulteert in stabielere structuren. Het vinden van de juiste tijdschaal voor dit proces is ook van cruciaal belang, en onderzoekers zoeken nu naar manieren om deze factoren onder controle te houden voor een optimale moleculaire rangschikking op oppervlakken.

In een recent onderzoek heeft een team uit Japan onder leiding van prof. Hisao Ishii van de Graduate School of Science and Engineering en het Center for Frontier Science van de Chiba University, samen met Masahiro Ohara van de Chiba University en dr. Yuya Tanaka van de Graduate School of Wetenschap en Technologie aan de Gunma Universiteit hebben een nieuwe afzettingsmethode geïntroduceerd die een geschikte moleculaire rangschikking bereikt.

Hun artikel is gepubliceerd in ACS Applied Materials and Interfaces . "Bij het deponeren van organische moleculen door middel van vacuümdepositie wordt de oriëntatie van de moleculen in de loop van de tijd veranderd door de depositie te pauzeren. Bovendien is het door het veranderen van de depositieomstandigheden mogelijk om de oriëntatie van zowel het kop- als het staarteinde van de moleculen om te keren ”, legt prof. Ishii uit.

In hun onderzoek vond het team een ​​eenvoudige maar ingenieuze manier om de oriëntatie te controleren van moleculen die zijn afgezet op aluminium en benzeenhoudende dunne films, aangeduid als Alq₃ en TPBi, respectievelijk. Ze gebruikten een methode genaamd 'intermitterende depositie', die pauzes introduceert tijdens het afzettingsproces, en ze ontwikkelden een bijgewerkte versie van een hulpmiddel genaamd 'rotary Kelvin probe' (RKP). Dit werd gebruikt om de oppervlaktepotentiaal (spanning op het materiaaloppervlak) tijdens en na de afzetting in realtime te meten.

Door de depositiesluiter herhaaldelijk met specifieke tussenpozen te openen en te sluiten, konden de onderzoekers de polarisatie (de verdeling van de ladingen) veranderen, waardoor de manier waarop de moleculen op de films werden georiënteerd, werd beïnvloed.

De nieuwe benadering van intermitterende depositie creëerde een ontspannen en stabiele oppervlaktelaag met controleerbare polarisatie. De studie onthulde ook hoe oppervlakterelaxatie de moleculaire oriëntatie en de vorming van een potentiële vallei (in de vorm van een "V") beïnvloedde. In feite maakt deze depositiemethode het mogelijk een willekeurig potentieel profiel te creëren voor gewenste moleculaire oriëntaties op de dunne film van interesse.

In termen van toepassingen kan deze intermitterende depositietechniek de effectiviteit en levensduur van OLED-materialen verbeteren. Bovendien kan het ook worden gebruikt voor niet-polaire organische moleculen, waardoor het nuttig is voor apparaten zoals organische fotovoltaïsche cellen en transistors.

Prof. Ishii zegt:“Er wordt verwacht dat deze methode de efficiëntie en levensduur van OLED’s verder zal verbeteren. Naast OLED’s bevordert het ook de ontwikkeling van andere organische apparaten, zoals organische geheugenapparaten. Daarom zal het vervangen van conventionele anorganische apparaten door organische apparaten ervoor zorgen dat lichtgewicht en flexibele apparaten die direct beschikbaar zijn."

Samenvattend onderzoekt deze studie de relaxatieprocessen die de oriëntatie van moleculen op het oppervlak van organische dunne films beïnvloeden en maakt gebruik van intermitterende depositie om effectief een stabiele oppervlaktelaag te creëren. Daarnaast werd een RKP-tool ontwikkeld om veranderingen in het oppervlaktepotentieel in de loop van de tijd te analyseren. De voorgestelde depositiemethode zal naar verwachting werken met verschillende organische moleculen (niet alleen polaire moleculen) en zou de weg kunnen vrijmaken voor de verbetering van bestaande organische apparaten en de ontwikkeling van nieuwe.

Meer informatie: Masahiro Ohara et al, Impact van intermitterende afzetting op spontane oriëntatiepolarisatie van organische amorfe films onthuld door Rotary Kelvin Probe, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12914

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door Chiba Universiteit