Organische optoelektronische Geräte wie organische Leuchtdioden (OLEDs) verwenden Moleküle mit spezifischen Strukturen, die auf dünnen Filmen angeordnet sind. Darüber hinaus ist die Anordnung dieser Moleküle auf jeder Oberfläche entscheidend für verschiedene Prozesse, die in diesen Geräten ablaufen.
Diese Anordnung wird von zwei Hauptfaktoren bestimmt: der Abscheidungsrate (wie schnell die Moleküle platziert werden) und der Oberflächentemperatur. Langsamere Abscheidungsraten und höhere Temperaturen erleichtern die richtige Anordnung und führen zu stabileren Strukturen. Es ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, den richtigen Zeitrahmen für diesen Prozess zu finden, und Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, diese Faktoren für eine optimale Molekülanordnung auf Oberflächen zu kontrollieren.
In einer aktuellen Studie hat ein Team aus Japan unter der Leitung von Prof. Hisao Ishii von der Graduate School of Science and Engineering und dem Center for Frontier Science der Universität Chiba zusammen mit Masahiro Ohara von der Universität Chiba und Dr. Yuya Tanaka von der Graduate School of Wissenschaft und Technologie an der Universität Gunma haben eine neue Abscheidungsmethode eingeführt, die eine geeignete molekulare Anordnung erreicht.
Ihr Artikel ist veröffentlicht In ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen. „Bei der Abscheidung organischer Moleküle durch Vakuumabscheidung wird die Ausrichtung der Moleküle im Laufe der Zeit durch Anhalten der Abscheidung geändert. Darüber hinaus ist es durch Änderung der Abscheidungsbedingungen möglich, die Ausrichtung sowohl des Kopf- als auch des Schwanzendes der Moleküle umzukehren „, erklärt Prof. Ishii.
In ihrer Studie fand das Team eine einfache, aber geniale Möglichkeit, die Ausrichtung von Molekülen zu steuern, die auf aluminium- und benzolhaltigen Dünnfilmen, bezeichnet als Alq3 bzw. TPBi, abgeschieden sind. Sie verwendeten eine Methode namens „intermittierende Abscheidung“, die Unterbrechungen während des Abscheidungsprozesses einführt, und entwickelten eine aktualisierte Version eines Werkzeugs namens „Rotary Kelvin Probe“ (RKP). Damit wurde das Oberflächenpotential (Spannung an der Materialoberfläche) während und nach der Abscheidung in Echtzeit gemessen.
Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Abscheidungsverschlusses in bestimmten Abständen konnten die Forscher die Polarisation (die Verteilung der Ladungen) ändern und so beeinflussen, wie die Moleküle auf den Filmen ausgerichtet waren.
Der neue Ansatz der intermittierenden Abscheidung erzeugte eine entspannte und stabile Oberflächenschicht mit kontrollierbarer Polarisation. Die Studie zeigte auch, wie sich die Oberflächenrelaxation auf die molekulare Orientierung und die Bildung eines potenziellen Tals (in Form eines „V“) auswirkte. Tatsächlich ermöglicht diese Abscheidungsmethode die Erstellung eines beliebigen Potentialprofils für gewünschte Molekülorientierungen auf dem interessierenden dünnen Film.
Im Hinblick auf Anwendungen kann diese intermittierende Abscheidungstechnik die Wirksamkeit und Lebensdauer von OLED-Materialien verbessern. Darüber hinaus kann es auch für unpolare organische Moleküle verwendet werden, was es für Geräte wie organische Photovoltaikzellen und Transistoren nützlich macht.
Prof. Ishii sagt: „Diese Methode soll die Effizienz und Lebensdauer von OLEDs weiter verbessern. Über OLEDs hinaus fördert sie auch die Entwicklung anderer organischer Geräte, wie zum Beispiel organischer Speichergeräte. Daher wird der Ersatz herkömmlicher anorganischer Geräte durch organische Geräte sinnvoll sein.“ leichte und flexible Geräte leicht verfügbar.“
Zusammenfassend untersucht diese Studie die Relaxationsprozesse, die sich auf die Ausrichtung von Molekülen auf der Oberfläche organischer Dünnfilme auswirken, und nutzt die intermittierende Abscheidung, um effektiv eine stabile Oberflächenschicht zu erzeugen. Darüber hinaus wurde ein RKP-Tool entwickelt, um Veränderungen des Oberflächenpotentials im Zeitverlauf zu analysieren. Es wird erwartet, dass die vorgeschlagene Abscheidungsmethode mit verschiedenen organischen Molekülen (nicht nur polaren) funktioniert und den Weg für die Verbesserung bestehender organischer Geräte und die Entwicklung neuer ebnen könnte.
Mehr Informationen:
Masahiro Ohara et al., Einfluss intermittierender Abscheidung auf die spontane Orientierungspolarisation organischer amorpher Filme, offenbart durch eine rotierende Kelvin-Sonde, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c12914