OLED
Organic Light-Emitting Diodes
Docente: Mauro Mosca
(www.dieet.unipa.it/tfl)
A.A. 2015-16
Ricevimento: alla fine della lezione o per appuntamento
Università di Palermo – Scuola Politecnica - DEIM
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 più semplici: monomeri
(basso peso molecolare)
Catena ripetuta di monomeri: polimeri (es:
cellulosa, DNA, polistirolo, nylon…)
Polimeri conduttori
E’ possibile drogare i polimeri (1977)!
Premio Nobel per la chimica 2000:
Alan J. Heeger,
Alan G. MacDiarmid e
Hideki Shirakawa
Forme ed energie degli orbitali della molecola H2:
orbitali leganti ed antileganti
conducibilità
delocalizzazione elettronica orbitali molecolari ( p)
s*
s
sovrapposizione orbitali s
legame s
Orbitali molecolari s e p
se si sovrappongono orbitali p…
s
Ep < Es
p
Struttura elettronica della molecola di etene
legami doppi C
due orbitali 2p di un atomo si legano con il 2s dell’altro
elettroni delocalizzati spazialmente
tre orbitali ibridi sp2 (in un piano a 120° l’uno dall’altro)
con gli atomi vicini: legami s
pz si
pz e forma
e ilsovrappone
terzo orbitaleall’altro
atomico???
una coppia di orbitali molecolari p
Delocalizzazione degli elettroni
nella molecola del benzene
polimeri coniugati
scambiando un legame singolo con uno doppio,
la struttura non risulta alterata
BENZENE
Struttura del poliacetilene
tutte le molecole organiche con struttura coniugata
possiedono elettroni delocalizzati lungo la catena
POLIACETILENE
Bande di energia nei composti organici
- La conducibilità dipende dal grado di delocalizzazione degli
elettroni
(grado
di sovrapposizione)
Orbitale
p (legante):
BANDA DI VALENZA
- Gli elettroni possono muoversi facilmente all’interno della catena
HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital
polimerica
- Gli elettroni si muovono con difficoltà tra catene polimeriche
adiacenti
Orbitale p * (antilegante): BANDA DI CONDUZIONE
- Tra una catena e l’altra gli elettroni devono effettuare dei piccoli
salti (hopping)
LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital
- Minore mobilità rispetto ai semiconduttori inorganici
- La bandgap dipende dall’estensione dei legami coniugati di tipo p:
un’estensione maggiore causa il restringimento
della bandgap!
Bande di energia in un cristallo
Materiali amorfi: densità degli stati e mobilità
sebbene EC ed EV si sovrappongano…
distribuzione di potenziale non periodica
impurezze
struttura reticolare disordinata
stati localizzati o centri trappola all’interno della gap
(shallow levels)
all’interno della gap la conduzione può avvenire solo per hopping
“code” nella densità di stati delle bande (gap più piccola)
Il disordine strutturale non altera il numero totale degli
stati energetici ma porta alla loro ridistribuzione
Il comportamento è paragonabile a quello di un materiale cristallino
Livelli energetici dell’Alq3
0,15 eV
piccole distorsioni molecolari
Materiali a basso peso molecolare e polimeri
1. Monomeri e oligomeri
2. Polimeri
sublimazione termica
spinning o dipping
più puri e più alta mobilità (0,001-10 cm2/Vs)
possibile realizzare strutture multistrato
degrado dovuto ai contatti e al film HTL
Transizione vetrosa
i polimeri hanno Tg più elevata
degrado dovuto ai contatti e al film HTL
(hole-transport layer)
Deposizione di film organici: OMBE
temperatura più alta di quella di sublimazione
ma più bassa di quella di decomposizione chimica
0,01-10 nm/s
alternativa: EVAPORAZIONE TERMICA
Deposizione di film organici:
metodo di Langmuir-Blodgett
gruppo idrofilico
(verso l’interno
del liquido)
HYDROPHILIC
gruppo
idrofobico
HYDROPHILIC
(verso l’interno del
liquido)
Deposizione di film organici: spinning
Deposizione di film organici: spinning
Deposizione di film organici: dipping
h
0,94(v) 2 / 3
h  1/ 6
 ( g )1 / 2
Deposizione di film organici:
stampa a getto d’inchiostro
minore efficienza rispetto allo spinning (problema del profilo dei punti)
65 mm
Purificazione del materiale:
gradient sublimation
Il processo richiede almeno due cicli e parecchi giorni!!
Ts
10-6 torr
Materiali emissivi: l’Alq3
famiglia dei chelati
M(C9H6NO)n
8-chinolina
- stabile
- proprietà emissive
- buon trasportatore di elettroni
Struttura fisica dell’OLED
ETL -EML
HTL
-6 e m =e10
-8 cm2/Vs
HTL:
blocca
gli10
elettroni
permette
il trasporto delle lacune
nell’Alq
3: mn =
p
come?... ricombinazione vicino agli elettrodi (senza HTL)
dove avviene la ricombinazione?...
DIVERSO DA GIUNZIONE P-N!!
Iniezione e trasporto negli OLED:
posizione livelli energetici
ANODO
CATODO
Iniezione e trasporto negli OLED:
iniezione e ricombinazione
Al
tunneling
emissione
termoionica
Quale modello per la corrente?
barriera di
potenziale
campo elettrico
Fowler-Nordheim?
(effetto tunnel)
non sono rette!
dipendenza da T
Quale modello per la corrente?
Emissione termoionica?
La corrente non è determinata dall’iniezione di cariche dagli
elettrodi ma dalle proprietà di trasporto dei materiali organici
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 densità di corrente J è proporzionale al campo elettrico
applicato (conduzione ohmica)
Quale modello per la corrente?
Modello TCL (trapped charge-limited)
V > 5-8 V
0,15 eV
EFn
moooooooolto più pratico ricordare che:
Modello TCL (trapped charge-limited)
I  Vm+1
IV
Il processo di emissione
elettrone
intrappolato in un centro trappola
eccitone
+ lacuna iniettata dall’HTL
zona di
ricombinazione
la ricombinazione
avviene nella
regione definita
dalla lunghezza di
diffusione delle
lacune
Il processo di emissione
La zona qdi ricombinazione dipende dalla
mobilità degli elettroni e delle lacune all’interno
dell’ETL e dell’HTL
in questo modo si determina la
lunghezza
di diffusione
lacune
Come
ricavare
ladelle
posizione
e la regione di emissione
e l’estensione
spaziale della zona di emissione?
Rilassamento di Franck-Condon
dovuto ai piccoli cambiamenti energetici
che si manifestano in presenza di un eccitone
quando un elettrone passa ad un livello più
alto, poiché i nuclei sono più pesanti degli
elettroni, la transizione elettronica si svolge più
velocemente della risposta dei nuclei
i nuclei iniziano a vibrare e oscillano rispetto ad
una nuova distanza R1 di equilibrio, maggiore
della loro distanza originaria R0
Processi di ricombinazione
I materiali organici usati per i LED sono isolanti ( ~ 1015 W cm)
fattore di bilancio
di carica (< 1)
1/4
Senza iniezione di carica non è presente alcun elettrone
libero
spin antiparalleli,
spin
paralleli,
momento angolare
momento angolare
totale NULLO
totale NON NULLO
La ricombinazione avviene tramite eccitoni, cioè coppie e-h legate tra
loro tramite una forza elettrostatica (≠ ricombinazione banda-banda)
Stati di singoletto e tripletto
bande
stati vibrazionali e rotazionali
idem…
materiali
fosforescenti…
stato metastabile
poco probabile
(deve variare
lo spin)
Vantaggi degli OLED
Trasparenza
Elevata purezza cromatica
Tempi brevi di risposta
Alto grado di purezza
Flessibilità meccanica
Uniformità del film
Basso costo dei
materiali
Ampio angolo di osservazione
(emissione lambertiana)
Discrete efficienze luminose
Capacità di ottenere tutti i colori dello spettro
Applicazioni degli OLED
1. Passive-Matrix OLED (PMOLED)
Perpendicular
cathode/anode strip
orientation
Light emitted at intersection
(pixels)
External circuitry
 Turns on/off pixels
Large power consumption
 Used on 1-3 inch
screens
 Alphanumeric displays
2. Active-Matrix OLED
(AMOLED)
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
Less power consumed than
PMOLED
 Used for larger displays
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
 glasses
4. Top-emitting OLED
TEOLED
Non-transparent or reflective
substrate
Transparent Cathode
Used with Active Matrix
Device
Smart card displays
5. Foldable OLED
Flexable metalic foil or
plastic substrate
Lightweight and
durable
Reduce display
breaking
Clothing OLED
6. White OLED
Emits bright white light
Replace fluorescent lights
Reduce energy cost for
lighting
True Color Qualities
6. White OLED
Cellphone backlight white OLED vs standard LED
from Organic Lighting Technologies LLC
OLED Advantages over LED and LCD
Thinner, lighter and more flexible
Plastic substrates rather then glass
High resolution (<5mm 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°
OLED Display Disadvantages
Lifetime

White, Red, Green  46,000-230,000 hours
About 5-25 years

Blue  14,000 hours
About 1.6 years
Expensive
Susceptible to water
Overcome multi-billion dollar LCD market
Dispositivi commerciali
Kodak LS633 EasyShare with OLED display
The 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
Dispositivi commerciali
A 2'x2' white light prototype by GE
World’s First OLED Lamp
http://www.oled-info.com/buy-oled