Projekta vadītājs Anna Pidluzhna
Vienošanās Nr. 1.1.1.2/16/I/001
Pētniecības pieteikuma Nr. 1.1.1.2/VIAA/4/20/592
Šis projekts ir vērsts uz gaismas izstarojošās diodes (OLED) izstrādi un izgatavošanu, kuru pamatā ir organiski fluorescējoši materiāli, kas nesatur smagos metālus. OLED ar jauniem materiāliem var kļūt efektīvāki izstrādes procesā, tiem ir vienkāršāka ierīces struktūra, zemākas ražošanas izmaksas un mazāka ietekme uz vidi.
Projekta galvenais mērķis ir izstrādāt un izgatavot jaunas pieejas OLED no smago metālu brīviem organiskiem gaismu emitējošiem materiāliem. Projektā ir izvirzīti sekojoši mērķi ar atbilstošām aktivitātēm:
- Sintezēt un raksturot jaunus daudzsološus savienojumus OLED
- Pārbaudiet materiālus ierīču konstrukcijās, lai tie atbilstu nozares prasībām
Viens no projekta mērķiem ir izveidot organisko gaismas emitējošo diodi ar vismaz 15% ārējo kvantu efektivitāti.
Projekts tiek īstenots Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā no 09.02.2021. līdz 30.06.2023. Projekta kopējās izmaksas ir 106 673.02 EUR.
Jaunumi par projektu
30.06.2023
Pārskata periodā tika sagatavots projekta gala ziņojums, un mēs esam priecīgi sniegt pārskatu par tā noslēguma posmu. Šajā ziņojumā ir uzsvērti galvenie sasniegumi, atklājumi un rezultāti, kas sasniegti šajā projekta posmā.
Galvenie sasniegumi:
- Veiksmīgi pabeigta jaunu savienojumu sintēze un raksturojums no fenantroimidazola, dietinilfluorēnhinazolīna un trifenilamīna ģimenēm.
- Veikta plaša OLED ierīču fotofiziskā un fotoelektriskā raksturošana
- Panākti būtiski uzlabojumi fotoemisijas kvantu iznākumā fenantroimidazola atvasinājumiem cietās plēvēs, kas ir divreiz vairāk nekā šķīdumiem.
- Izpētītas un optimizētas dažādas ierīču arhitektūras, lai uzlabotu efektivitāti un stabilitāti.
Secinājumi un rezultāti:
- Iegūta vispusīga izpratne par izstrādāto materiālu optiskajām un elektriskām īpašībām
- Noskaidroja galvenos faktorus, kas ietekmē ierīces veiktspēju, tostarp ierīcēs izmantoto izstarojošo materiālu unikālās īpašības, piemēram, to fluorescence, fosforescence, termiski aktivētā aizkavētā fluorescence (TADF) vai ekscipleksa īpašības. Pamatojoties uz šīm īpašībām, rūpīgi jāapsver piemērotu materiālu kombināciju izvēle un skursteņa arhitektūras projektēšana. Šī pieeja nodrošina optimālu enerģijas pārnesi, uzlādes līdzsvaru un eksitonu pārvaldību ierīcē, tādējādi uzlabojot efektivitāti un kopējo veiktspēju.
- Demonstrēta veiksmīga izstrādāto materiālu integrācija funkcionālās OLED ierīcēs
- Novērtēta ierīču veiktspēju, izmantojot dažādus mērījumus, piemēram, strāvas-sprieguma raksturlielumus, spilgtumu un efektivitāti
Rezultāti un ietekme:
- Veicināja OLED tehnoloģiju un organiskās elektronikas attīstību;
- Radīts vērtīgas zināšanas un atziņas, pētot smagos metālus nesaturošu organisko materiālu īpašības OLED.
- Iesniegusi pētījumu rezultātus cienījamos zinātniskos žurnālos un prezentējusi tos 3 starptautiskās konferencēs
Nākotnes virzieni:
Pamatojoties uz šī projekta rezultātiem, ir vairāki daudzsološi virzieni turpmākai izpētei un attīstībai:
- Alternatīvu materiālu un ierīču arhitektūru izpēte, lai uzlabotu efektivitāti un stabilitāti;
- Mērogojamu izgatavošanas metožu izpēte lielas platības OLED ražošanai;
- Izstrādāto OLED ierīču ilgtermiņa uzticamības un ietekmes uz vidi novērtējums
Mēs vēlamies izteikt pateicību visiem projekta komandas locekļiem, līdzstrādniekiem un finansēšanas aģentūrai par atbalstu un ieguldījumu visā projekta laikā. Sasniegumi un zināšanas, kas iegūtas šajā darbā, neapšaubāmi veicinās organisko materiālu, kas nesatur smagos metālus, attīstību organiskajai elektronikai.
30.05.2023
Galvenā uzmanība šajā projekta periodā joprojām bija OLED izgatavošanas tehnoloģijai un sagatavoto OLED raksturošanai.
OLED sagatavošanas un mērīšanas process tika veiksmīgi izstrādāts un pielietots OLED izgatavošanai. Tas ietvēra vairākas darbības, lai nodrošinātu optimālu ierīču veiktspēju. Stikla pamatnes, kas pārklātas ar indija alvas oksīdu (ITO), tika iegādātas no uzņēmuma Präzisions Glas & Optik GmbH. Pirms lietošanas ITO substrātiem tika veikta rūpīga tīrīšanas procedūra, kas ietvēra vairākus posmus. Sākotnēji tie tika pakļauti ultraskaņai CHCl3, kam sekoja ultraskaņa acetonā. Pēc tam pamatnes tika noskalotas ar dejonizētu (DI) ūdeni un tālāk apstrādātas ar ultraskaņu 3 tilpuma% Hellmanex II šķīdumā. Tika veikta rūpīga skalošana ar DI ūdeni, un pēc tam pamatnes tika apstrādātas ar ultraskaņu DI ūdens un izopropilspirta maisījumā. Pēc žāvēšanas ar N2 plūsmu paraugi tika rūpīgi pārvietoti no cimdu nodalījuma uz vakuuma kameru noslēgtā traukā, lai atvieglotu OLED slāņu termisko iztvaikošanu.
Izmantojot šo vispāratzīto metodi, tika izgatavotas visas ierīces ar sintezētām vielām. OLED elektriskie raksturlielumi tika novērtēti, mērot strāvas sprieguma profilus, izmantojot Keithley 2700 multimetru. No otras puses, spilgtuma raksturlielumi tika novērtēti, izmantojot Konica Minolta Luminance and Color Meter CS-150, kas arī palīdzēja noteikt hromatiskuma raksturlielumus.
Sastādīti 2 ziņojumi.
Publicēts 1 konferences darbs: No 04.06.2023. līdz 09.06.2023. Arkašonā netālu no Bordo, Francijā notika 23rd International Conference on the Science and Applications of Nanotubes and Low-Dimensional Materials NT`23. Programmā tika iekļauta postera prezentācija ar nosaukumu "Promising heavy-metal free emissive materials".
28.02.2023
Šajā projekta periodā galvenā uzmanība tika pievērsta OLED izgatavošanas tehnoloģijai. OLED tehnoloģijas attīstība lielā mērā ir atkarīga no tās uzticamības. Tādējādi šajā periodā tika izskatīti jautājumi par OLED degradācijas mehānismu. Ir zināmi daudzi faktori, kas izraisa OLED degradāciju. Visizplatītākie darbības nestabilitātes cēloņi ir ķīmiskas reakcijas, kas notiek OLED ierīcē, piemēram, neizstarojošu ierosinošo stāvokļu veidošanās un eksitona-polarona dzēšana. Šīs reakcijas var izraisīt dažādi faktori, piemēram, piemaisījumu klātbūtne vai mitruma un skābekļa iedarbība. Turklāt elektriskā degradācija var rasties arī tādēļ, ka ierīcē uzkrājas iesprostoti lādiņi vai elektriskie lauki. OLED var ciest arī no uzglabāšanas nestabilitātes, ko parasti izraisa ķīmiskas reakcijas, kas notiek OLED slāņos mitruma, skābekļa un citu piesārņotāju iedarbības dēļ. Lai risinātu šīs problēmas, tika izmantota iekapsulēšanas metode, lai aizsargātu OLED ierīces no vides faktoriem.
Nozīmīgas enerģijas barjeras klātbūtne anoda saskarnē var radīt ievērojamu džoulu siltumu, izraisot molekulu agregāciju lokalizētās vietās. Lai risinātu šo problēmu, ir izmantotas skābekļa plazmas apstrādes, lai uzlabotu kontaktu starp anodu un indija alvas oksīdu (ITO). Šī pieeja ir izrādījusies efektīva, uzlabojot caurumu injekciju, tādējādi uzlabojot OLED veiktspēju. Konkrēti, tas ir novedis pie sprieguma samazināšanās, paaugstinātas efektivitātes un paaugstinātas uzticamības. Vēl viena pieeja anoda barjeras pārvarēšanai ietver slāņa izmantošanu, kas ievada caurumus virs ITO anoda. Šī pieeja ir efektīva arī OLED veiktspējas uzlabošanā.
OLED darbība ir saistīta ar ierosinātu stāvokļu izveidi, kas ir būtiski to darbībai. Tomēr šo ierosināto stāvokļu neatgriezeniskās ķīmiskās reakcijas var izraisīt izstarojošo vielu izņemšanu no ierīces. Tāpēc materiālu izvēle un attīrīšana ir izšķiroši faktori, kas ietekmē emitētāja degradācijas ātrumu un OLED darbības stabilitāti.
Vēl viens ierīces degradācijas iemesls ir caurumu injekcija. Par to varētu būt atbildīgas mobilās jonu sugas, piemēram, metāli no elektrodiem vai citiem ražošanas laikā ievadītiem piesārņotājiem. Lai gan šie piemaisījumi varētu izskaidrot sākotnējo straujo spilgtuma samazināšanos, iespējams, ka tas ir radies no piesārņojuma, kas radies ierīces uzbūves laikā, piemēram, uz ierīces virsmas adsorbēts ūdens/skābeklis vai epoksīda sacietēšanas rezultātā izgāzētie produkti. Kad sākotnējais piesārņojums ir novērsts ar reakcijām pie kontakta, turpmākā degradācija palēninās.
OLED ražošanas procesa pamatprincipi tika analizēti, pārbaudīti un pārveidoti, lai tie būtu piemērotāki sintezētajām vielām. Izmeklēšanai tika piedāvāti galvenie OLED slāņu komplekti.
Izmeklēšanas rezultāti tika prezentēti un apspriesti 7th Advances in Functional Materials (AFM) konferencē (Kjušu Universitātes Medicīnas skolas simtgades zālē, Kjusju, Japānā no 2023. gada 9. līdz 12. janvārim).
31.10.2022
Tika pētītas piecu sintezēto vielu klašu (fenantroimidazola atvasinājumi; dietinilfluorēni; hinazolīna un trifenilamīna atvasinājumi; naftilfenilamīna un benzofenona atvasinājumi; karbazola un oksadiazola atvasinājumi; karbazola un oksadiazola atvasinājumi) optiskās un fizikālās īpašības. Jonizācijas enerģija un elektronu afinitāte visām sintezētajām vielām tika mērīta un aprēķināta, izmantojot attiecīgi fotoelektronu emisijas spektroskopiju un fotovadītspējas metodi.
Tika analizēti, pārbaudīti un modificēti OLED ražošanas procesa pamatprincipi, lai tie būtu piemērotāki sintezētajām vielām. Pētījuma laikā tika piedāvātas galvenās OLED struktūras.
Diethynyl Fluorene saimes izpētes rezultāti tika prezentēti un apspriesti kopīgā konferencē Funkcionālie materiāli un nanotehnoloģijas FM&NT – NIBS 2022 (Rīga, 2022. gada 3.-6.jūlijs).
Tika uzrakstīti un nosūtīti 3 projektu priekšlikumi 3 dažādiem uzsaukumiem.
30.06.2022
Šajā periodā tika pabeiga sintēze daudzsološiem gaismas emisiju savienojumiem ar pielietojumu OLED:
- atvasinājumi uz fenantroimidazola bāzes;
- Dietinilfluorēni;
- Hinazolīna un trifenilamīna atvasinājumi
- Naftilfenilamīna un benzofenona atvasinājumi
- Karbazola un oksadiazola atvasinājumi
Pilnībā tika pētītas trīs sintezēto savienojumu saimes optiskās un fizikālās īpašības, tām noteiktas absorbcijas un emisijas joslas. Jonizācijas enerģija un elektronu afinitāte visām sintezētajām vielām tika mērīta un aprēķināta, izmantojot attiecīgi fotoelektronu emisijas spektroskopiju un fotovadītspējas metodi.
Pētījumu rezultāti tika prezentēti un apspriesti PROJEKTA SINERĢIJAS SANĀKSMĒ - EMITTERS, LED, OLED (Rīga, Cietvielu institūts, 13.04.2022.)
19.04.2022
Tika sintezētas trešās klases vielas, kuru pamatā ir fenantroimidazola kodols. Mērķa savienojumi tika sagatavoti ar Ulmana šķērssavienojuma reakciju CuI, 18-krona-6 (0,2 mmol) un K2CO3 (20,0 mmol) klātbūtnē 1,3-dimetiltetrahidropirimidin-2(1H)-onā (DMPU) 170 °C temperatūrā. ℃ 48 stundas slāpekļa atmosfērā. Iegūtos produktus attīra ar kolonnas hromatogrāfiju uz silikagela, izmantojot dihlormetānu kā eluentu.
Tiek pētītas sintezēto fenantroimidazolu saimes savienojumu optiskās un fizikālās īpašības, RV-35_RV-38 savienojumu absorbcijas joslas atrodas violetajā un ultravioletajā zonā un galvenie emisijas maksimumi atrodas 400-450 nm apgabalā. Standarta fotofizikālās raksturošanas procedūru laikā tika novērota plecu parādīšanās sarkanā apgabalā emisijas spektros, tāpēc tika izgatavoti un izmērīti jaunie svaigie paraugi. Plecs pazuda, bet tika novērota arī nestabilitāte šajos jaunajos emisijas spektros. Šī iemesla dēļ jaunie plānās kārtiņas paraugi tika izgatavoti un iekapsulēti ar epoksīda sveķiem (Ossilla) un pārklājuma stiklu. Jaunie emisijas un absorbcijas spektri kļuva stabili, kā arī pazuda plecs sarkanajā apgabalā, un šie rezultāti tika ņemti tālākai analīzei.
Sākts izpētīt OLED izgatavošanas procesa pamatprincipus no OLED arhitektūras viedokļa pamatnes tips, emitētāja materiāli un izgatavošanas procedūras no augšas uz leju un apgrieztās arhitektūras OLED. Pēc rūpīgas datu analīzes tika izdarīta izvēle par labu cietai stikla pamatnei, jo tas tiek izmantots kā pamatnes materiāls OLED apgaismojuma paneļu ražošanā un ir vispiemērotākais termiskās iztvaicēšanas vakuumā pārklāšanas tehnikai. Kā liecina datu analīzes rezultāti, daudz dažādi materiāli var tikt izmantoti caurumu injekcijai, transportēšanai vai bloķēšanā, elektronu transportēšanai vai bloķēšanai, izstarojošiem materiāliem un saimniekmatricām. Tāpēc OLED izgatavošanai tiks izmantoti tikai ar emiteriem saderīgi materiāli.
Neskatoties uz pandēmijas ierobežojumiem, projekta eksperimentālā darba plūsma netiek ietekmēta.
4.10.2021
Fotofizikālās raksturošanas standarta procedūru laikā sintezēto savienojumu emisijas spektros tika pamanīta plecu parādīšanās sarkanā spektra apgabalā, tāpēc tika veikti papildu eksperimenti, lai izprastu novērotā efekta iemeslu un izstrādātu mehānismu tās novēršanai. Tika noskaidrots, ka papildus josla radās, vielai mijiedarbojoties ar gaisu. Tādēļ paraugi tika pārklāti ar aizsargslāni, lai novērstu to mijiedarbību ar apkārtējo atmosfēru. Jaunie emisijas un absorbcijas spektri kļuva stabili.
Visi projekta plāna soļi tiek veikti saskaņā ar grafiku, un šobrīd tiek realizēta viena mēneša vizīte KTU.
7.06.2021
Otrā vielu klases, kas balstīta uz fluorēniem, tika sintezēta, izmantojot daudzos pētījumos atlasītās fluorēna modifikācijas caur dijodēšanas reakciju, pēc tam aizvietošanas reakcijā ar heksilbromīdu, šķērssavienojumu, izmantojot Pd/Cu katalizatoru, un visbeidzot deprotonēšanu.
Tika pētītas dietinilfluorēna saimes sintezēto savienojumu optiskās un fizikālās īpašības. Šo savienojumu absorbcijas joslas atrodas violetajā un ultravioletajā spektra apgabalā un galvenie emisijas maksimumi ir 400 nm, kas padara tos perspektīvus kā zilās gaismas emiterus.
18.04.2021.
Pārskata periodā pēcdoktorants sāka strādāt institūtā kā pētnieks. Šajā period tika izietas apmācības tīrtelpu piekļuvei. Apgūtas visas mērījumu metodes, kas ietver fotoelektronu emisijas spektrālos (PYS) mērījumus, fotovadāmības mērījumus, fotoluminiscences mērījumus (fluorescences spektrometrs FL1000) un parauga biezuma mērījumiem (Dektak 150). Visas darbības bija paredzētas 1.1. solī.
Saskaņā ar projekta plānu tiek veikta to savienojumu skrīnings, kuri ir visdaudzsološākie sintēzei un pielietošanai OLED, un šajā posmā veiksmīgi sintezēts hinazolīna un trifenilamīna atvasinājums un rūpīgi izpētītas šī savienojuma optiskās un fotoelektriskās īpašības (1.1., 1.2. Darbība). Šis savienojums ir fluorescējoši aktīvs un demonstrē emisijas maksimumu pie 578 nm, 14% no fotoluminiscences kvantu iznākuma filmai ar 1 056,5 Å biezumu. No PYS noteiktā jonizācijas enerģija ir 5,35±0,03 eV un fotovadītspējas mērījumos iegūtā adiabātiskā sprauga ir 2,25–0,03 eV.
Visas projekta plāna darbības tiek veiktas saskaņā ar grafiku, izņemot vienu vizīti KTU, kas bija plānota trešajā mēnesi, jo Latvijā un Lietuvā ir ierobežota ceļošana. Neskatoties uz pandēmijas ierobežojumiem, projekta nozīmīgais eksperimentālais darbs netiek ietekmēts.