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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

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http://www.oled-info.com/buy-oled