Nanopartikel Emas Meningkatkan Transport Elektron pada Antarmuka Katoda PF-NR2 untuk iPLED Berkinerja Tinggi
Abstrak
Untuk memperluas dampak komersial dioda organik pemancar cahaya (OLED), dioda polimer terbalik yang diproses dalam larutan (iPLED) muncul sebagai platform yang menjanjikan. Namun, efisiensi transportasi elektron pada lapisan antarmuka katoda—khususnya PF-NR2—masih menjadi hambatan. Dalam penelitian ini, kami menyisipkan nanoparticle emas (Au NPs) berukuran 20 nm ke dalam lapisan PF-NR2 pada rasio yang dioptimalkan. Mikroskopi gaya atom konduktif (c-AFM) menunjukkan peningkatan signifikan konduktivitas elektron, yang disebabkan oleh konduktivitas logam yang unggul dari Au NPs. Perangkat yang dibuat dengan lapisan PF-NR2 yang didoping Au NPs menunjukkan peningkatan kecerahan sebesar 94 % (dari 17 k cd m⁻² menjadi 33 k cd m⁻²) dan peningkatan efisiensi luminansi sebesar 101 % (dari 9,4 cd A⁻¹ menjadi 18,9 cd A⁻¹). Hasil ini menyediakan strategi praktis dan dapat diskalakan untuk meningkatkan kinerja iPLED berkinerja tinggi.
Pendahuluan
Selama dua dekade terakhir, OLED telah menarik perhatian signifikan karena fleksibilitas, bobot ringan, dan pembuatan yang hemat biaya. Pemrosesan dalam larutan menawarkan jalan menuju produksi skalabel dan berbiaya rendah, namun penerapan komersial iPLED masih terbatas oleh lapisan transportasi muatan yang suboptimal. Antarmuka katoda, khususnya polimer PF-NR2, sangat penting untuk menyeimbangkan injeksi elektron dan lubang. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa modifikasi sisi-rantai PF-NR2 dapat meningkatkan injeksi elektron, namun mobilitas elektron intrinsik polimer masih modest. Nanopartikel logam—khususnya emas—menunjukkan konduktivitas listrik yang luar biasa dan properti plasmonik yang dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan transportasi muatan dalam lapisan organik. Penelitian ini mengeksplorasi penyisipan Au NPs berukuran 20 nm ke dalam lapisan antarmuka PF-NR2 dan mengevaluasi dampaknya terhadap transportasi elektron serta kinerja perangkat.
Bahan dan Metode
Bahan
PF-NR2 disintesis melalui Stille coupling yang dikatalis Pd antara 2,7-dibromo-9,9-bis(3-(N,N-dimetilamino)propil)fluorena dengan 2,7-bis(4,4,5,5-tetrametil-1,3,2-dioksaborolan-2-il)-9,9-dioktilfluorena dalam toluen/Na₂CO₃ di bawah argon. Setelah reflux, produk dipresipitasi dalam metanol, difilter, dan dicuci dengan aseton untuk menghilangkan oligomer, menghasilkan 0,28 g (77 % hasil terisolasi). P-PPV, kaca ITO, dan PEDOT:PSS diperoleh dari pemasok komersial. Nanopartikel emas (20 nm) disintesis dengan metode reduksi sitrat Frens.
Persiapan Prekursor Oksida Seng (ZnO)
Asetat seng dihidrat (1 g) dan etanolamina (0,28 g) dilarutkan dalam 2-metoksiethanol (10 mL) dan diaduk selama 12 jam untuk membentuk larutan prekursor ZnO.
Sintesis Nanopartikel Emas (Au NPs)
HAuCl₄ (0,25 mM) direbus dengan pengadukan hebat, ditambahkan 1 mL sitrat natrium 5 %. Reaksi berlangsung selama 15 menit hingga warna merah anggur muncul, yang menunjukkan Au NPs berukuran 20 nm.
Pembuatan Perangkat iPLED
Prekursor ZnO di spin-coated pada ITO pada 4000 rpm dan dianil pada 200 °C selama 1 jam, menghasilkan film ~30 nm. Lapisan antar PF-NR2 (2 mg mL⁻¹ dalam metanol + 10 µL mL⁻¹ asam asetat) di spin-coated pada 2000 rpm, membentuk lapisan ~5 nm. P-PPV (6 mg mL⁻¹) di spin-coated pada 1400 rpm untuk menghasilkan ~80 nm. Setelah evakuasi hingga 3 × 10⁻⁴ Pa, 10 nm MoO₃ dan 120 nm Al ditiadapkan secara termal, menentukan area piksel 16 mm². Semua langkah, kecuali peniadakan ZnO, dilakukan dalam glove box nitrogen (<10 ppm O₂/H₂O).
Karakterisasi Perangkat dan Tipis Film
Mikroskopi Gaya Atom Konduktif
c-AFM dilakukan dengan lever silikon dilapis Pt/Ir 3 N m⁻¹, setpoint 1 V, dan amplifikasi arus (10⁷ V A⁻¹). Kurva I-V-B diukur dalam glove box menggunakan Keithley 236 SMU dan difotodioda silikon yang dikalibrasi. Spektra UV-Vis (Shimadzu UV-3600), ketebalan film (Dektak 150), dan AFM (Seiko SPA 400) juga direkam.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Nanopartikel Emas dan Film PF-NR2
Mikroskopi transmisi elektron mengonfirmasi Au NPs monodisperse berukuran 20 nm (Gambar 1a). Puncak LSPR mereka pada 520 nm (Gambar 1b) memvalidasi ukuran nanopartikel. Campuran PF-NR2/Au NP (PF-NR2/30 pM Au NPs) di spin-coated untuk menghasilkan film tebal ~5 nm; pengukuran absorbansi (hukum Lambert-Beer) mengonfirmasi ketebalan (Gambar 2b).
a Citra TEM. b Spektra absorpsi Au NPs
a Struktur molekuler PF-NR2. b Variasi ketebalan PF-NR2 di bawah berbagai kondisi pembuatan yang diukur dengan spektroskopi UV-Vis
Karakterisasi c-AFM pada Tipis Film PF-NR2
Pemetaan I-V c-AFM menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam densitas arus untuk PF-NR2 yang didoping dengan 36 pM Au NPs, mengonfirmasi injeksi elektron yang ditingkatkan. Pada 120 pM, konduktivitas menurun karena agregasi nanopartikel, seperti yang ditunjukkan oleh SEM (Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Pemuatan Au NP optimal (36 pM) memberikan transportasi elektron tertinggi tanpa mengorbankan morfologi film (ketrampilan kasar RMS meningkat dari 0,56 nm menjadi 1,59 nm; Gambar 3).
Morfologi permukaan AFM PF-NR2 a, b citra ketinggian tanpa dan dengan Au NPs dan c citra fasa dengan Au NPs (area pemindaian 1,0 µm × 1,0 µm)
a Skema pengujian c-AFM. b, c Karakteristik I-V di sekitar satu Au NP dan gambaran ketinggian satu Au NP dalam lapisan PF-NR2. Lokasi angka berwarna dalam citra inset sesuai dengan warna kurva I-V
Perangkat hanya elektron ITO/ZnO (30 nm)/PF-NR2 (5 nm, dengan dan tanpa Au NPs)/P-PPV (80 nm)/CsF (1,5 nm)/Al (120 nm)
a Skema transportasi elektron yang ditingkatkan pada lapisan hibrid dengan struktur terbalik yang diusulkan. b Struktur molekuler PF-NR2. c Spektroskopi PL P-PPV dengan dan tanpa Au NPs
Pengukuran fotoluminesensi (Gambar 6c) mengonfirmasi bahwa Au NPs, yang terbatas dalam lapisan PF-NR2, tidak mematikan emisi P-PPV, sehingga memastikan bahwa peningkatan kinerja yang diamati berasal dari transportasi muatan yang ditingkatkan daripada efek optik.
a Kurva densitas arus vs. tegangan yang diterapkan (I-V). b Kecerahan vs. densitas arus (B-I), dan c Efisiensi luminansi vs. densitas arus (LE-I) dalam berbagai kondisi ketika P-PPV digunakan sebagai lapisan pemancar dalam iPLED, masing-masing
Integrasi lapisan PF-NR2 yang didoping Au NPs ke dalam tumpukan iPLED penuh menghasilkan peningkatan kecerahan sebesar 94 % (dari 17 k cd m⁻² menjadi 33 k cd m⁻²) dan perbaikan efisiensi luminansi sebesar 101 % (dari 9,4 cd A⁻¹ menjadi 18,9 cd A⁻¹). Peningkatan ini menunjukkan bahwa Au NPs menyediakan jalur yang efektif dan dapat diskalakan untuk meningkatkan injeksi elektron dan efisiensi perangkat secara keseluruhan.
Kesimpulan
Kami berhasil menyisipkan Au NPs berukuran 20 nm ke dalam lapisan antarmuka katoda PF-NR2, mencapai peningkatan dua kali lipat dalam transportasi elektron tanpa mengorbankan kinerja optik. Film PF-NR2 yang didoping Au NPs menunjukkan injeksi elektron yang unggul, yang menghasilkan peningkatan kecerahan sebesar 94 % dan peningkatan efisiensi luminansi sebesar 101 % dalam iPLED. Strategi doping yang sederhana dan dapat diskalakan ini menawarkan jalan praktis menuju OLED berkinerja tinggi yang diproses dalam larutan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis atas tanggung jawab atas permintaan yang wajar.
