Componentes estructurales de un OLED

A continuación se describen a detalle los diversos materiales que típicamente son utilizados para conformar cada componente del diodo (cátodo, ánodo, capas transportadoras de huecos y electrones y la película emisora) así como las principales propiedades que deben ser consideradas al momento de su elección.

1.4.4.1- El ánodo

El óxido de indio y estaño (ITO) es por excelencia el material que típicamente ha sido empleado como ánodo en los diodos electroluminiscentes orgánicos. Está compuesto por una mezcla no estequiométrica de In, In2O, InO, In2O3, Sn, SnO y SnO2 que exhibe una combinación muy atractiva entre alta transparencia óptica, buena conductividad eléctrica y excelente estabilidad a las condiciones ambientales. Su función de trabajo es aproximadamente de 5 eV que se encuentra en un rango cercano a los niveles HOMO de los polímeros conjugados lo que asegura una buena inyección de huecos. La facilidad para ser moldeado usando técnicas litográficas permite crear una amplia variedad de diseños, así mismo, la disponibilidad comercial de sustratos de vidrio y PET recubiertos de ITO contribuyen a que difícilmente sea reemplazado por otro material ya que a pesar de que se han probado otra clase de compuestos metálicos (por ejemplo, Pt y ZnO) y poliméricos (PANI, PEDOT), en la gran mayoría de la literatura se reporta el uso del ITO como ánodo.

1.4.4.2- El cátodo

El cátodo está constituido por un metal o aleación de baja función de trabajo que se deposita sobre la película orgánica emisora mediante evaporación a alto vacío. Entre los metales que más comúnmente se utilizan se encuentra el magnesio (=3.7 eV) en forma de aleación con plata, el calcio (=2.9 eV) y el aluminio (=4.3 eV), sin embargo, los dos primeros son muy reactivos y se degradan fácilmente ante el oxígeno y humedad, por lo que deben ser depositados y probados en ambientes controlados bajo rigurosas condiciones de alto vacío. Para una adecuada selección del cátodo se debe considerar que la función de trabajo del

metal sea lo más cercana al nivel LUMO del material conjugado a fin de disminuir la barrera de inyección de electrones en la interfase que representa el potencial requerido para que las cargas fluyan hacia el material orgánico y de esta manera asegurar la inyección y reducir el voltaje de operación del dispositivo⁹. El depósito de una delgada capa de LiF ó CsF entre la película emisora y el cátodo de Al ó Ca ha sido implementada por algunos autores¹⁰ para reducir el valor de la función de trabajo observándose una mejora significativa de la eficiencia del dispositivo.

1.4.4.3.- Capas transportadoras de electrones y huecos

Para una eficiente inyección de electrones del cátodo a la ETL, la afinidad electrónica^[7] de esta capa debe ser cercana a la función de trabajo del cátodo. Entre las moléculas que han dado mejores resultados en cuanto a las propiedades de transporte y confinamiento excitónico se encuentra el tris-(8-hidroxiquinolina de aluminio) (Alq3)⁴ y los oxadiazoles como el PBD¹¹ y sus derivados. Por otra parte, se requiere que el potencial de ionización^[8] de la HTL sea similar a la función de trabajo del ánodo para una eficiente inyección de huecos. Una amplia variedad de aminas aromáticas han sido probadas con este fin como la N, N-difenil-N,N-bis(3-metilfenil)-1,1-bifenil-4,4-diamina (TPD)¹², mientras que Tang y col.¹³ demostraron el uso de las ftalocianinas (CuPc), sin embargo, estos materiales presentan una gran absorción en la región del visible que puede interferir con la emisión del polímero luminiscente. En épocas más recientes se ha reportado la incursión de varios polímeros conductores como son las poli(anilinas) (PANI)¹⁴ y poli(tiofenos) (PT)¹⁵ con excelentes resultados. Para una mejor visualización de los materiales antes mencionados en la figura 1.12 se presentan las estructuras químicas correspondientes a cada uno de ellos. De particular interés para el desarrollo de este trabajo de tesis fue el uso de una capa transportadora de huecos. Uno de los materiales más promisorios en el campo de la investigación y desarrollo de dispositivos optoelectrónicos es el poli(3,4-etilendioxi-2,4- tiofeno) (PEDOT). Por sí solo, el PEDOT como muchos otros polímeros conductores es insoluble e infusible lo que dificulta su procesamiento y limita severamente su aplicación.

[7]Energía involucrada cuando un átomo neutro en su estado fundamental captura un electrón y forma un ion negativo.

[8] Energía necesaria para arrancar un electrón más externo de un átomo.

Este problema queda resuelto al formar una dispersión coloidal en agua de PEDOT dopado con poli(estirensulfonato) (PSS) la cual se encuentra disponible de forma comercial.

Figura 1.12 Estructuras químicas de algunos materiales orgánicos utilizados como capa transportadora de huecos y de electrones

En esta mezcla polimérica de ionómeros, parte de los grupos sulfonilo del PSS están desprotonados portando una carga negativa, por su parte, dentro del esqueleto conjugado del PEDOT se generan algunas cargas positivas que al interaccionar forman una sal macromolecular (figura 1.13).

Figura 1.13 Estructura química del poli(3,4-etilendioxi-2,4-tiofeno)- poli(estirensulfonato) PEDOT:PSS

Figura 1.3. Algunos materiales orgánicos utilizados como capa transportadora de huecos y de electrones

N N

CH3

TPD

N N N

N N

N N N

Cu

CuPc

NH NH *

*

n

PANI

* R

PT

N N N

Al O O

O

Alq3

O N N

t-Bu

PBD

Figura 1.3. Algunos materiales orgánicos utilizados como capa transportadora de huecos y de electrones

N H₃C

N

CH3

TPD

N N N

N N

N N N

Cu

CuPc

NH NH *

*

n

PANI

S

* *

R

PT

N N N

Al O O

O

Alq3

O N N

t-Bu

PBD

Figura 1. 4. Estructura química del poli(3,4-etilen dioxi-2,4-tiofeno)- poli(estiren sulfonato) PEDOT-PSS

PEDOT

PSS PSS

Esta dispersión se introdujo en los años 90´s y fue ampliamente utilizada como recubrimiento antiestático en películas fotográficas, sin embargo, gracias a las ventajas que ofrece sobre otros polímeros conductores tales como su fácil procesamiento, buenas propiedades de resistencia mecánica y de formación de película, su alta transparencia óptica en la región del visible así como su excelente estabilidad a las condiciones medio ambientales e incluso a altas temperaturas cercanas a los 100 °C¹⁶ lo han catalogado como uno de los materiales de mayor impacto en la elaboración de OLED sirviendo como capa inyectora de huecos¹⁷. Se tienen reportes de que cuando se deposita una película de PEDOT:PSS sobre el electrodo de ITO se modifican sustancialmente los parámetros que describen el desempeño del dispositivo: se incrementa el tiempo de vida del diodo al actuar como un recubrimiento que refina la capa de ITO eliminando los pequeños defectos presentes y formando una interfase más regular y reproducible que disminuye la degradación del dispositivo, además de que reduce la Eh al tener una función de trabajo (=5.2 eV) más cercana al nivel HOMO de la mayoría de los polímeros emisores lo que disminuye el voltaje de operación y mejora increíblemente la luminancia del dispositivo¹⁸.

1.4.4.4.- La película orgánica emisora

El desempeño exitoso de un diodo electroluminiscente dependerá en gran medida de las características que posea la película emisora, las cuales se exponen a continuación:

1) En primer lugar, el material conjugado que la conforma debe mostrar propiedades de semiconducción eléctrica y fotoluminiscencia y debe ser completamente soluble en algún disolvente orgánico.

2) El material debe formar películas mediante alguna de las técnicas de depositación conocidas como centrifugado, autoensamblaje o Langmuir-Blodgett; con una morfología homogénea y de baja rugosidad, libre de defectos cristalinos que interfieran con la movilidad de las cargas y dispersen la luz generada por el dispositivo.

3) La técnica de depositación debe asegurar un espesor nanométrico adecuado, preferentemente entre 50 y 150 nm. Películas más delgadas predisponen a la aparición prematura de cortos circuitos, mientras que espesores superiores requieren de la

aplicación de altos potenciales para la operación del dispositivo además de que pueden favorecer la presencia de los fenómenos de reabsorción de fotones.

4) La películas deben ser estables a las condiciones de evaporación del cátodo metálico y durante los periodos de caracterización de los OLED, es decir, deben conservar sus propiedades fisicoquímicas y morfológicas.