OLED Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca ( Ricevimento: alla fine della lezione o per...
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OLED OLED Organic Light-Emitting Diodes Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca Docente: Mauro Mosca (www.dieet.unipa.it/tfl) (www.dieet.unipa.it/tfl) Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di Palermo – Facoltà di Ingegneria (DE A.A. 2014-15 A.A. 2014-15
OLED Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca ( Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento Università di
OLED Organic Light-Emitting Diodes Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl) Ricevimento: alla fine della lezione o per
appuntamento Universit di Palermo Facolt di Ingegneria (DEIM) A.A.
2014-15
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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 pi
semplici: monomeri (basso peso molecolare) Catena ripetuta di
monomeri: polimeri (es: cellulosa, DNA, polistirolo, nylon)
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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
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Forme ed energie degli orbitali della molecola H 2 : orbitali
leganti ed antileganti conducibilit delocalizzazione elettronica
orbitali molecolari sovrapposizione orbitali s legame
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Orbitali molecolari e se si sovrappongono orbitali p E <
E
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Struttura elettronica della molecola di etene legami doppi C
due orbitali 2p di un atomo si legano con il 2s dellaltro tre
orbitali ibridi sp 2 (in un piano a 120 luno dallaltro) con gli
atomi vicini: legami e il terzo orbitale atomico??? p z si
sovrappone allaltro p z e forma una coppia di orbitali molecolari
elettroni delocalizzati spazialmente
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Delocalizzazione degli elettroni nella molecola del benzene
polimeri coniugati scambiando un legame singolo con uno doppio, la
struttura non risulta alterata
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Struttura del poliacetilene tutte le molecole organiche con
struttura coniugata possiedono elettroni delocalizzati lungo la
catena
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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
conducibilit dipende dal grado di delocalizzazione degli elettroni
(grado di sovrapposizione) - Gli elettroni possono muoversi
facilmente allinterno della catena polimerica - Gli elettroni si
muovono con difficolt tra catene polimeriche adiacenti - Tra una
catena e laltra gli elettroni devono effettuare dei piccoli salti
(hopping) - Minore mobilit rispetto ai semiconduttori inorganici -
La bandgap dipende dallestensione dei legami coniugati di tipo :
unestensione maggiore causa il restringimento della bandgap!
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Bande di energia in un cristallo
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Materiali amorfi: densit degli stati e mobilit distribuzione di
potenziale non periodica impurezze struttura reticolare disordinata
stati localizzati o centri trappola allinterno 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 allinterno della gap la conduzione pu avvenire
solo per hopping Il comportamento paragonabile a quello di un
materiale cristallino
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Livelli energetici dellAlq 3 piccole distorsioni molecolari
0,15 eV
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Materiali a basso peso molecolare e polimeri 1.Monomeri e
oligomeri 2.Polimeri sublimazione termica spinning o dipping pi
puri e pi alta mobilit (0,001-10 cm 2 /Vs) possibile realizzare
strutture multistrato degrado dovuto ai contatti e al film HTL
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Transizione vetrosa degrado dovuto ai contatti e al film HTL
(hole-transport layer) i polimeri hanno T g pi elevata
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Deposizione di film organici: OMBE temperatura pi alta di
quella di sublimazione ma pi bassa di quella di decomposizione
chimica 0,01-10 nm/s
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Deposizione di film organici: metodo di Langmuir-Blodgett
HYDROPHILIC
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Deposizione di film organici: spinning
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Deposizione di film organici: dipping h
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Deposizione di film organici: stampa a getto dinchiostro 65 m
minore efficienza rispetto allo spinning (problema del profilo dei
punti)
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Purificazione del materiale: gradient sublimation Il processo
richiede almeno due cicli e parecchi giorni!! TsTs
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Materiali emissivi: lAlq 3 M(C 9 H 6 NO) n 8-chinolina famiglia
dei chelati - stabile - propriet emissive - buon trasportatore di
elettroni
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Struttura fisica dellOLED HTL ETL -EML HTL: blocca gli
elettroni e permette il trasporto delle lacune come?... dove
avviene la ricombinazione?... nellAlq 3 : n = 10 -6 e p = 10 -8 cm
2 /Vs ricombinazione vicino agli elettrodi (senza HTL) DIVERSO DA
GIUNZIONE P-N!!
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Iniezione e trasporto negli OLED: posizione livelli energetici
ANODO CATODO
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Iniezione e trasporto negli OLED: iniezione e ricombinazione Al
tunneling emissione termoionica
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Quale modello per la corrente? Fowler-Nordheim? non sono rette!
dipendenza da T (effetto tunnel)
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Quale modello per la corrente? Emissione termoionica? La
corrente non determinata dalliniezione di cariche dagli elettrodi
ma dalle propriet di trasporto dei materiali organici
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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 densit di corrente J
proporzionale al campo elettrico applicato (conduzione ohmica)
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Quale modello per la corrente? Modello TCL (trapped
charge-limited) 0,15 eV V > 5-8 V E Fn moooooooolto pi pratico
ricordare che:
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Modello TCL (trapped charge-limited) I V m+1 I V
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Il processo di emissione eccitone zona di ricombinazione
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Il processo di emissione q in questo modo si determina la
lunghezza di diffusione delle lacune e la regione di emissione
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Rilassamento di Franck-Condon dovuto ai piccoli cambiamenti
energetici che si manifestano in presenza di un eccitone quando un
elettrone passa ad un livello pi alto, poich i nuclei sono pi
pesanti degli elettroni, la transizione elettronica si svolge pi
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
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Processi di ricombinazione I materiali organici usati per i LED
sono isolanti ( ~ 10 15 cm) Senza iniezione di carica non 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
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Stati di singoletto e tripletto bande stati vibrazionali e
rotazionali poco probabile (deve variare lo spin) idem materiali
fosforescenti
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Vantaggi degli OLED Trasparenza Alto grado di purezza Uniformit
del film Flessibilit meccanica Basso costo dei materiali Capacit di
ottenere tutti i colori dello spettro Elevata purezza cromatica
Ampio angolo di osservazione (emissione lambertiana) Discrete
efficienze luminose Tempi brevi di risposta
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Applicazioni degli OLED
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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
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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)
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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
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4. Top-emitting OLED TEOLED Non-transparent or reflective
substrate Transparent Cathode Used with Active Matrix Device Smart
card displays
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5. Foldable OLED Flexable metalic foil or plastic substrate
Lightweight and durable Reduce display breaking Clothing OLED
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6. White OLED Emits bright white light Replace fluorescent
lights Reduce energy cost for lighting True Color Qualities
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6. White OLED Cellphone backlight white OLED vs standard LED
from Organic Lighting Technologies LLC
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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
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OLED Display Disadvantages Lifetime White, Red, Green
46,000-230,000 hours White, Red, Green 46,000-230,000 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
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Dispositivi commerciali Kodak LS633 EasyShare with OLED
displayThe Sony 11-inch XEL-1 OLED TV Samsung Roadmap 2009 - 14,15,
and 21 inch OLED panel 2010 - 40 to 42 inch full HD OLED panel
Toshiba Roadmap 2009 30 inch Full HD panel
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A 2'x2' white light prototype by GE Worlds First OLED Lamp
Dispositivi commerciali