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Estudo sobre preparação de dispositivos eletroluminescentes OLED
(Organic Light Emitting Diodes) e das principais técnicas de
caracterizações
Vinicius D B Lindo, Jorge Tomioka
O trabalho em questão é iniciado com uma apresentação dos dispositivos OLED e seu funcionamento. Conseguinte, é brevemente
mostrada a tecnologia de filmes finos e alguns cuidados especiais em sua preparação para os dispositivos. Os materiais utilizados na
produção dos OLED´s são de extrema importância, pois são os mesmos que determinarão as propriedades mais marcantes como a cor,
iluminancia e etc. Porém, devido a grande quantidade de materiais que podem ser aplicados, apenas os materiais utilizados com mais
freqüência em trabalhos serão apresentados. Finalizando o trabalho, serão tratados detalhadamente os métodos mais utilizados para a
produção destes dispositivos, e os tipos de caracterização que podem ser empregadas nos mesmos.
I. INTRODUÇÃO
A
TUALMENTE,
uma verdadeira explosão de novos
dispositivos vem aparecendo e despontando no cenário
atual dos eletrônicos. Dentre os mesmos podemos encontrar
uma grande quantidade de diodos, como os emergentes diodos
orgânicos emissores de luz (OLED). Estes dispositivos OLED
possuem como característica marcante a possibilidade de
serem flexíveis, diferentes dos demais dispositivos existentes.
Além da flexibilidade já citada, estes dispositivos têm alta
resistência ao stress mecânico e baixo custo de funcionamento,
consumindo menos energia do que os atuais displays
disponiveis no mercado e as fontes de iluminação.
O baixo consumo energético perante as fontes de
iluminação existentes, leva a maioria dos grupos de pesquisa a
buscar novas aplicações para os mesmos. Dentre estas
aplicações pode-se citar a utilização dos OLED’s como fontes
de iluminação, pois estes dispositivos propiciam a criação de
fontes de luz com uma área superficial elevada às encontradas
atualmente.
O trabalho em questão tem como objetivo estudar e mostrar
o estado da arte destes dispositivos, desde os materiais
utilizados na composição até as conformações atuais. E
também será apresentado neste trabalho alguns métodos de
confecção de dispositivos reprodutíveis em laboratório.
dispositivo construído pode-se variar o número de camadas, a
espessura de cada camada além dos materiais utilizados em
cada uma delas e em seus substratos conforme ilustrado na
Figura 1.
Figura 1
II. DISPOSITIVOS OLED
Existem basicamente dois tipos básicos de OLED’s, os
SMOLED’s, e os PLED’s. Onde SMOLED’s é a contração de
Small Molecule OLED’s, sigla usada para os dispositivos
fabricados a partir de moléculas orgânicas pequenas e o
segundo é a contração de Polymerics OLED’s, sigla usada
para os dispositivos fabricados a partir de polímeros
conjugados.
Os OLED’s são construídos utilizando-se a sobreposição
em camadas de uma série de filmes finos, os quais são
normalmente depositados em seqüência por vários métodos de
deposição entre dois eletrodos. Existe uma quantidade
ilimitada de arquiteturas possíveis, visto que para cada
A emissão de luz de um OLED é obtida por excitação
através dos buracos e dos elétrons injetados pelos eletrodos,
onde ao se aplicar uma voltagem externa entre os mesmos, os
buracos são injetados pelo anodo e os elétrons injetados pelo
catodo.
Os elétrons e buracos migram de camada em camada até se
encontrem na zona de recombinação, dando origem a um
estado ligado neutro, chamado éxciton. Porém em um
dispositivo dito ideal, esses éxcitons devem ser formados na
camada eletroluminescente.
A energia de excitação proveniente dos éxcitons pode ser
transferida para os estados moleculares excitados de singleto e
de tripleto do composto molecular.
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Normalmente a luz é produzida nos compostos orgânicos
pelo rápido decaimento dos estados moleculares excitados de
singleto do composto eletroluminescente, e a cor emitida
depende da diferença de energia entre o HOMO e o LUMO do
composto eletroluminescente. Porém, uma parte da energia é
normalmente perdida pelo decaimento não radiativo dos
estados excitados de tripleto, provenientes da transferência de
energia dos éxcitons de tripleto.
III. MATERIAIS UTILIZADOS EM DISOSITIVOS OLED
A maioria dos materiais orgânicos pode transportar tanto
elétrons como buracos, porém, para a maior parte desses
materiais, os elétrons têm menor mobilidade do que os
buracos. Assim, buscando um OLED mais eficiente
precisamos, muitas vezes, balancear essas cargas dentro dos
dispositivos usando materiais específicos como os
transportadores de carga, injetores de carga, bloqueadores de
carga, além é claro, dos orgânicos eletroluminescentes e os
eletrodos propriamente ditos.
A injeção de elétrons do cátodo nas camadas orgânicas é
feita através de um filme fino metálico depositado sobre estas,
pois os valores da barreira de potencial entre o catodo e o
LUMO dos materiais orgânicos luminescente são
normalmente altos, o que dificulta a injeção de elétrons. Sendo
assim, o uso de metais com baixa função trabalho como (In,
Ag, Al, Au, Mg e Cu) é altamente desejável para formar um
contato de injeção de elétrons mais eficiente entre estes
filmes.[1]
Diferente do catodo, o contato para a injeção de buracos
requer um eletrodo de alta função trabalho, visando passar a
barreira de potencial para a injeção de buracos, que é
normalmente quantificada como a diferença de energia entre a
função trabalho do anodo e o potencial de ionização do
composto orgânico. Todavia, não é interessante que o anodo
seja um metal, visto que para o caso específico dos
dispositivos emissores de luz, existe a necessidade de se
extrair a luz emitida.
O óxido de índio dopado com estanho (ITO) é um dos
materiais mais utilizados como anodo, combinando as
propriedades de transparência próprias de um óxido com as
propriedades de condução elétrica, tendo mostrado uma boa
eficiência na injeção de buracos nos materiais orgânicos.
Em um OLED, existem alguns fatores que influenciam
diretamente nas características do dispositivo, podemos citar a
taxa de recombinação como um dos mais importantes fatores.
Porém para se ter boas taxas de recombinação, devemos nos
centrar nas propriedades dos injetores de carga, sabendo que
os buracos têm maior mobilidade que os elétrons.
Para conseguir uma boa taxa de recombinação se faz
necessário utilizar materiais que apresentem uma alta função
trabalho para a injeção de buracos e materiais com uma baixa
função trabalho para a injeção de elétrons. Isto se dá, pois
usando metais e ligas com baixa função trabalho, a injeção de
elétrons e a velocidade de escoamento são incrementadas e
assim as tensões aplicadas podem ser reduzidas. .
Para a obtenção de um bom balança de cargas, podemos
utilizar o Ca e o Ba que tem baixa função trabalho, protegidos
por um metal estável como o Al ou Ag, incrementando a
eficiência na injeção de elétrons.
Outra opção é baixar a barreira de injeção de elétrons pela
introdução de uma camada injetora de elétrons entre o catodo
e a camada eletroluminescente, geralmente utiliza-se LiF, CsF,
M2O e polímeros orgânicos surfactantes. A função desta
camada é baixar a função trabalho do catodo e incrementar a
injeção de elétrons pela redução da alta reatividade química
dos metais com baixa função trabalho.
A camada injetora de buracos age como uma interface de
conexão entre o anodo e a camada transportadora de buracos
facilitando
a
injeção
de
buracos
na
camada
eletroluminescente. Esta camada deve ter boa adesão com o
ânodo e também servir como uma superfície perfeitamente lisa
para a deposição do anodo.
Dentre os materiais mais usados para esta função, estão os
polímeros condutores como o PEDOT-PSS ou polianilina
dopada, polímeros fluorcarbono como o Teflon ou poliamida
depositados a vácuo ou plasma, complexos metálicos e outros.
Para o transporte de elétrons no dispositivo, deve-se levar
em consideração novamente que os compostos orgânicos têm
baixas mobilidades de elétrons em comparação à mobilidade
de buracos, assim utiliza-se normalmente compostos que
contém oxidiazol como transportadores de carga, pois
apresentam melhores valores de mobilidade de elétrons.
Dentre estes compostos o 2-(4-bifenil)-5-(4-tert-butilfenil)1,3,4-oxadiazol (butil-PBD), vêm sendo usado com grande
freqüência como camada transportadora de elétrons.
No entanto o composto mais importante quando se fala de
transportadores de elétrons é sem duvida um metal quelato
denominado tris(8-hydroxyquinolinato)alumínio (Alq3), cuja
estrutura molecular está representada na Figura 2.
Figura 2
Já as camadas transportadoras de buracos aumentam a
condutividade dos mesmos, fornecendo um caminho para as
cargas positivas migrarem do ânodo para a camada
eletroluminescente. Estes materiais são de uso muito comum
em SMOLED, porém não são tão aplicados nos dispositivos
PLED devido ao fato dos polímeros conjugados serem
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usualmente bons condutores de buracos.
Dentre os materiais mais utilizados como transportadores de
buracos, estão os triarilaminas, trifenilmatanos e os
fenilazometanos. Porém, há alguns anos passados, descobriuse que usar “tri-arilamina” com centros “bi-fenil” como
camadas transportadoras de buracos aumentava tanto a
eletroluminescência quanto a estabilidade operacional dos
OLED’s.Esta camada deve ser capaz de transportar ambas as
cargas, de modo que estas cargas consigam atravessar o
material e se encontrar. Para isso, algumas técnicas como
Guest-Host são utilizadas na confecção desta camada,
conseguindo então as características desejadas do material.
IV. MÉTOSO DE CONFECÇÃO DE DISPOSITIVOS
Inicialmente, deve-se lever em consideração a preparação
do substrato para as deposições. Onde o mesmo deve ser
limpo e então litografada a camada de ITO.
Conseguinte, para a confecção das camadas pode-se utilizar
diversos métodos, porém deve-se levar em consideração as
limitações dos materiais utilizados, adequando então o método
de deposição mais apropriado.
Alguns dos métodos mais utilizados para confecção
OLED’s são, a pulverização catódica por feixe de elétrons,
evaporação térmica resistiva, spin-coating, CVD, e etc.
V. CARACTERÍZAÇÃO DE DISPOSITIVOS
A caracterização dos dispositivos OLED consiste de duas
partes, primeiramente a caracterização do dispositivo emissor,
e segundo a caracterização da camada emissora.
A caracterização do polímero emissor, moléculas pequenas,
compostos de coordenação ou outros componentes da camada
emissora é feita através da analise de sua estrutura e suas
propriedades. Esta analise é feita através da espectroscopia de
infravermelho com transformada de Fourier, técnicas de
calorimetria, técnicas de cromatografia, microscopias, e
caracterização eletroquímica por voltametria cíclica. Caso seja
o objetivo analisar novos compostos, pode-se também utilizar
difração de raios-X, caracterização fotofísica por
espectroscopia
de
absorção
ultravioleta-visível
e
espectroscopia de fotoluminescência
A caracterização dos dispositivos OLED se resumem a
caracterização eletroluminescente e a medição de tempos de
vida. A caracterização eletroluminescente se realiza na
determinação da voltagem de funcionamento, pico
eletroluminescente e eficiência de luminância, o que se
consegue através de três tipos de registros: EL vs λ;
luminância vs voltagem; e densidade de corrente vs voltagem.
A determinação de tempos de vida se realiza mediante a
medida do decaimento de luminosidade utilizando corrente
direta (DC) ou excitação pulsada.
Para tais medições se pode utilizar fotodetectores, esferas
integradoras, fotogoniometros, e osciloscópio. Alguns outros
dispositivos podem ser utilizados para se obter melhores
resultados nas medições, porém com os dispositivos citados é
possível encontrar todas as medidas de maior importância para
caracterizar este dispositivo.
VI. CONCLUSÃO
Este trabalho teve como principal objetivo apresentar um
possível caminho para confecção de dispositivos OLED
simples que teriam utilização para pesquisas dentro da
UFABC.
Devido à imensa gama de materiais apresentados, e varias
técnicas descritas sucintamente, este trabalho foi concluído
com êxito, demonstrando teorias físicas do funcionamento do
dispositivo e apresentando vários métodos de confecção de
dispositivos.
A conclusão deste trabalho deixa também um caminho para
futuros trabalhos práticos que tenham como objetivo a
confecção de dispositivos. Além deste caminho para
confecção, se pode concluir que este trabalho é de grande
ajuda para futuras pesquisas que tenham como objetivo
analisar novos materiais para estes dispositivos.
REFERENCIAS
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[3]
[4]
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