1.3 Organische Leuchtdioden
1.3.2 Materialien in organischen Leuchtdioden
Elektroden dienen dazu, um Ladungsträger in die org. Schicht zu injizieren, indem sie ein Elektron vom einem benachbarten org. Molekül abführen oder hinzufügen. In erster Nähe-rung geschieht dies umso leichter, je geringer die Energiebarrieren zwischen der Austrittsar-beit der Elektroden und den entsprechenden HOMO bzw. LUMO-Niveaus des organischen Materials sind.
Anoden
Um Licht auszukoppeln, muss eine der Elektroden (halb)transparent sein. Typischerweise sind dies die Anoden, welche auf ein transparentes Substrat (Glas, Polyethylenterephtalat:
PET) aufgebracht werden [155]. Diese müssen zudem eine relativ hohe Austrittsarbeit (-4,5 bis -5,5 eV) besitzen. Als anorganische Anoden kommen Metalle in sehr dünnen Schichten (z.B.
Gold: Φ ~ -5.3 eV) oder unstöchiometrische Metalloxide (häufigste Anode: Indiumzinnoxid:
HTL
ITO: Φ ~ -4.4 bis -4.9 eV) in Frage [159, 169]. Solche Metall(oxide) werden zumeist durch Sput-terprozesse auf das Substrat aufgebracht. Dies führt zu unterschiedlich hohe Oberflächen-rauhigkeiten, welche zu lokal hohe Feldstärken bzw. hohen Strömen und daher Kurzschlüs-se zur Folge haben [170]. Ebenso führt der Sputterprozess zu unterschiedlich stöchiometri-schen Zusammensetzungen der Anode, so dass die Austrittsarbeiten stark variieren. Die Austrittsarbeit kann auch durch die verschiedenen Substratbehandlungen verändert werden
[169]. Diese führen zu unterschiedlich effizienten Bauteilen aufgrund von Injektionsbarrieren
[171, 172]. Dabei können sog. Buffer-Schichten, wie z.B. Cu-Phthalocyanine (-4.7 eV) [173, 174]
oder PEDOT [175], eingeführt werden. Letzteres planarisiert nicht nur die Oberfläche, sondern ergibt zumeist eine günstigere Injektion durch p-Dotierung und Niveau-Angleichung, woraus eine deutlich längere Lebensdauer resultiert. Insbesondere das PEDOT (Φ ∼ -5.2 eV [176]) sowie auch das elektrische leitfähige Polyanilin (Φ ~ -4,7 bis -5.0 eV) [177] werden in speziell angefertigten Formulierungen für OLEDs kommerziell angeboten.
Kathoden
Als Kathoden werden Metalle mit niedriger Austrittsarbeit (~3-4 eV) benötigt. Solche Metalle und Legierungen (Ca: Φ ~ -3.0eV, MgAg: Φ ~ -3.7eV, Al: Φ ~ -4.1eV) [178-180] sind häufig sehr reaktiv bzw. korrosionsanfällig, so dass während und nach dem Aufdampfprozess H2O und O2 peinlichst ausgeschlossen werden müssen [181]. Eine anschließende Verkapselung des Devices ist daher unumgänglich. Ebenso können die hochreaktiven aufgedampften Metall-atome eine Reaktion mit der Elektronentransportmolekülen eingehen, was ebenso zur De-gradation beiträgt. Sehr dünne Zwischenschichten aus LiF, CsF oder Li2O können ähnlich wie oben beschrieben zu einer besseren Performance führen. Dies kann an einer leichten n-Dotierung der Elektronentransportschicht bzw. einer (sukzessiven) Nivellierung der Niveaus oder an deren Funktion als Schutzschicht liegen [182-187].
Organische Halbleiter
Der aktive Bestandteil in OLEDs sind die organischen Materialien, welche eine Reihe an An-forderungen erfüllen müssen. Sie sollten chemisch, elektrochemisch und thermisch stabil sein [77, 159]. Kristalline oder kristallisierende Verbindungen führen zu ungünstigen Transport-eigenschaften [142] und Herabsetzen der Durchbruchfeldstärke, was zur Degradation des De-vices [134, 188] beiträgt. Homogene und stabile amorphe Schichten sind daher erwünscht.
Die Verbindungen sollten aufgrund ihrer elektronischen Niveaus zu einer ausgeglichenen Ladungsinjektion führen. Sie sollten eine hohe Effizienz sowohl im Transport von mindestens einer Ladungsträgersorte als auch in der Lumineszenz besitzen [77]. Schließlich müssen sie verarbeitbar sein.
Solche Verbindungen können in Polymere (s. Kap.1.1.1) sowie niedermolekulare Verbindun-gen (OGs) (s. Kap.1.1.2) unterteilt werden [189].
Die am häufigsten verwendeten Polymere zählen zur Klasse der Polyfluorene [152, 190] und der Polyphenylenvinylene [9, 69, 70]. Polymere mit löslichkeitsfördernden Gruppen [66-70, 152, 190, 191]
oder polymere Precursoren [192-194] werden aus Lösungen aufgebracht. So können durch Spincoating [9, 195] großflächige und mittels Inkjetprinting [196-198] strukturierte Bauteile herge-stellt werden. Ein Mehrschichtaufbau ist aufgrund von Anlöseprozesse der darunter liegen-den Schicht schwierig zu realisieren [48, 153].
Abb.1.15 Gängige Polymere für OLEDs, alle Polymere können aus Lösung aufgebracht wer-den; im Falle des Precursor-PPVs erhält erst nach Abspaltung von Tetrahydrothiophen und HCl via thermischer Konversion das eigentliche halbleitende Polymer (PPV; Po-ly(paraphenylenvinylen); PFO: Poly(9,9-dioctylfluoren))
Im Vergleich zu den Polymeren ist ein Vorteil der organischen Gläser ihre Verarbeitung durch Aufdampfprozesse. Der zusätzliche Reinigungsschritt –aufgrund der Sublimation- vermindert Trapping von Ladungsträgern, Quenching von angeregten Zuständen und verrin-gert Degradation aufgrund von Nebenreaktionen [134, 188]. Zudem ist Effizienzsteigerung durch multiplen Schichtaufbau und Schichtdickenoptimierung [199, 200] möglich.
Typische Lochleitermaterialien sind aromatische Amine. Als Elektronentransportmaterialien können Oxadiazole, Quinoxaline, sowie das häufig verwendete Alq3 eingesetzt werden. Letz-teres dient zugleich als Emitter [150]. Beispiele für solche Loch- bzw. Elektronenleiter finden sich in Abb.1.6 und Abb.1.8. Die niedermolekularen organischen Verbindungen, wie sie von Tang in seiner Zweischicht-OLED eingesetzt wurde und das häufig verwendete NPD sind in Abb. 1.16 dargestellt.
Abb. 1.16 Niedermolekulare Verbindungen für OLEDs; Tangs ursprüngliches Device basierte auf TAPC und AlQ3 [150]; in heutigen Devices wird anstelle des TAPCs das NPD verwendet Typische Emitter mit deren entsprechenden Emissionsmaxima, die in die halbleitenden Schichten eindotiert werden können (s. Abb. 1.14) sind in Abb. 1.17 dargestellt.
Abb. 1.17 Beispiele einiger typischer Emittermoleküle [164, 165, 167, 201]
O N S
N O O
N
NC CN
Coumarin 6 λmax: 490 nm
DCM 1 λmax: 520 nm TPB
λmax: 450 nm
S+ n n C l
O n O
P re cu rso r-P P V M E H -P P V P F O
N O
N O
Al N O
N N
N N
AlQ3 TAPC α-NPD
Die weiteren wesentlichen physikalischen Grundlagen bzgl. OLEDs werden in Kap. 6.1.1 behandelt.
1.3.3 Displays
Wie eingangs Kap. 1 und Kap. 1.3 erwähnt, werden bis dato organische Leuchtdioden kom-merziell als Displays angeboten. Die wesentlichen Aspekte eines solchen Displays und eine mögliche Relevanz bzgl. organischer Feldeffekttransistoren soll kurz dargestellt werden.
Displays sind aus einer Vielzahl an Pixel aufgebaut. Wesentlich dabei ist der durchschnittli-che Helligkeitseindruck des gesamten Displays. Für Monitore beträgt die typisdurchschnittli-che Leucht-dichte zwischen 100-150 cd/m2 und für kleinere Displays, wie diese in Handys oder PDAs verwendet werden, ist eine Leuchtdichte ca. 40-50 cd/m2 ausreichend [170, 202].
Die Pixel in einem OLED-Display können auf zwei Arten angesteuert werden. Je nach Art (Adressierung) werden diese als Passivmatrix- oder Aktivmatrixdisplays bezeichnet.
In einem Passivmatrix-Display erfolgt das Ein- (bzw. Ausschalten) eines Pixels mit einem schnellen Spannungsimpuls in der entsprechende Spalte und Reihe. Da die Reihen sukzes-sive angesteuert werden, müssen die angesprochenen Bildpunkte kurzweilig eine hohe Leuchtdichte (>104 cd/m2) erreichen, um für den Betrachter ein durchschnittliches Hellig-keitsempfinden für das gesamte Displays von ~100 cd/m2 zu ergeben [203, 204].
In einem Aktivmatrixdisplay wird jeder einzelne Bildpunkt mittels Transistoren angesteuert.
Dieses Prinzip wird auch in den heutzutage gängigen TFT-Monitoren verwendet (TFT: thin film transistor). Im Vergleich zu einem OLED-Passivmatrixdisplay bedarf es hier solcher Spannungspulse nicht, da prinzipiell alle Bildpunkte gleichzeitig eingeschaltet werden kön-nen. So erhält man beispielsweise bei einem Kodakfarbdisplay ein Weißlicht mit einer Leuchtdichte von 120 cd/m2 mit 31.6 cd/m2 an rotem, 71.7 cd/m2 an grünem und 16.7 cd/m2 an blauem Licht (bzgl. der Physiologie des Menschen s. auch Kap.6) [205].
Abb. 1.18 Zum Funktionsprinzip der Pixeladressierung; links: Passiv-Matrixadressierung in Reihen und Spalten; hier 4b im eingeschalteten Zustand; die wesentlichen Nachteile sind mögliche ‚cross-talks’ (hier beispielhaft ein teilweiser Einzustand von 3b und 5b). Zudem be-darf es mit zunehmender Pixelanzahl zunehmend höhere Leuchtdichten [203, 204]; rechts: mög-licher Pixelschaltkreis für einen einzigen Pixels in einem Aktivmatrix-Display [206]; im Allge-meinen werden mindestens 2 Transistoren benötigt. Der zweite Transistor kontrolliert die Gate-Spannung (s. Kap.1.4) [74, 207] des Ersten. Im Falle der OLEDs genügt dies dennoch nicht um homogene Pixelleuchtdichten zu erhalten. Daher kommen mehr Transistoren pro Pixel zum Einsatz [206, 207]; Beispiel hier: (T1-4) und 2 Kondensatoren (C1-2). Die wesentli-chen Nachteile sind dann die hohe Integration (komplex, teuer) [203] sowie ein möglicher un-günstigerer Füllfaktor (OLED-Leuchtfläche zur Gesamtpixelgröße; wie z.B. 89% [208])
Reihe
Spalte
1 2 3 4 5 6
a b c d Reihe
Spalte
1 2 3 4 5 6
a b c d