The efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) typically decreases with increasing current density. This so-called roll-off impedes the market entry of OLEDs in high-brightness applications such as general lighting. One of the most important processes causing roll-off is exciton annihilation, which evolves upon high exciton densities. This mechanism is especially pronounced in phosphorescent molecules due to their long triplet lifetime. In order to reduce the roll-off in phosphorescent OLEDs, this thesis focusses on decreasing the local exciton density by modifying the exciton lifetime, the spatial exciton distribution, and the tendency of emitters to form aggregates. The obtained results lead to a deeper understanding of efficiency roll-off and help sustaining the OLED efficiency at high brightness.
The emitter lifetime can be influenced by the optical environment around the emitting dipoles through the Purcell effect. In order to study this effect, the distance between emitter and metal cathode is varied for two different OLED stacks. A strong influence of emitter position and orientation on roll-off is observed and explained by modelling the data with triplet-triplet annihilation theory. Furthermore, design principles for optimal high-brightness performance are established by simulating the roll-off as a function of emitter-cathode distance, emissive dipole orientation, and radiative efficiency.
Next, a method is developed that allows extracting the spatial exciton distribution. Therefore, a thin sensing layer that locally quenches excitons is introduced into the emission layer at varying positions.
The resulting quenching profile is then fitted using a comprehensive theory based on the diffusion equation, which renders the exciton distribution and diffusion length with nanometer resolution. This method is applied to an emission layer comprising an ambipolar host material. Contrary to expectations which suggest that ambipolar materials exhibit broad exciton formation, a narrow emission zone close to the electron transport layer is found. Additional explorations of structures that might broaden the emission zone point to a narrow emission zone in double emission layers and broader exciton formation in mixed emission layers.
Previous investigations revealed a strong correlation between emitter aggregation and molecular dipole moment of the emitter. Within this thesis, the range of studied emitters is significantly extended. It is shown that homoleptic emitters show a stronger tendency to form aggregates than heteroleptic compounds. This is probably not only related to their higher dipole-dipole potential, but also to the molecular structure. Systematic analysis of the deposition parameters shows that aggregate formation depends on the underlying material and increases with increasing substrate temperature and decreasing evaporation rate.
The two green emitters Ir(ppy)3 and Ir(ppy)2(acac) are additionally studied by means of X-ray diffraction. Both emitters form crystallite grains and exhibit a preferred orientation. Doping the emitters into an amorphous host, both orientation and crystallite formation retain at the investigated doping concentrations above 20 wt%. This result is a first step toward further understanding of the mechanism of transition dipole orientation.:List of Publications
1 Introduction
2 Principles of Organic Semiconductors
2.1 Molecular Orbitals
2.2 Optical Properties
2.3 Intermolecular Energy Transfer
2.4 Charge Transport
2.5 Organic Light-Emitting Diodes
2.5.1 Structure and Working Principle
2.5.2 Characterization
3 Theory of Efficiency Roll-Off
3.1 Current Status
3.2 Processes Leading to Roll-Off
3.2.1 Triplet-Triplet Annihilation
3.2.2 Triplet-Polaron Interaction
3.2.3 Further Processes Influencing Roll-Off
3.3 Interplay of the Various Processes
3.4 Scope of this Work
4 Experimental Methods
4.1 Sample Preparation
4.2 Measurement
4.2.1 Thin-Film Characterization
4.2.2 OLED Characterization
4.3 Materials
4.3.1 Electrodes, Transport Materials, and Blockers
4.3.2 Materials of the Emission Layer
5 Influence of the Optical Environment
5.1 Introduction
5.2 Influence of Emitter-Cathode Distance
5.3 Emitter Lifetime and Orientation
5.4 Correlation of Roll-Off and Orientation
5.5 Simulation of Roll-Off
5.5.1 Influence of the Electroluminescence Spectrum
5.5.2 Influence of Orientation and Radiative Efficiency
5.6 Conclusion
6 Influence of the Emission Profile
6.1 Preliminary Considerations
6.1.1 Exciton Generation and Diffusion
6.1.2 Width of the Emission Zone
6.1.3 Dependence on the Structure of the Emission Layer
6.2 Measurement of the Emission Profile
6.2.1 Method
6.2.2 Mathematical Description
6.2.3 Experimental Realization and Evaluation
6.3 Ambipolar Matrix Materials
6.3.1 Device Performance
6.3.2 Influence of the Sensing Layer
6.3.3 Emission Profile
6.4 Double- and Mixed Emission Layers
6.4.1 Emission Profile
6.4.2 Influence of the Matrix Ratio
6.5 Summary and Outlook
7 Influence of Molecular Aggregation
7.1 Introduction
7.2 Aggregation of Homoleptic and Heteroleptic Emitters
7.2.1 Photoluminescence Measurements
7.2.2 Time-Resolved Spectroscopy
7.2.3 X-Ray Diffraction
7.2.4 Conclusions on Emitter Orientation
7.2.5 Comparison of the Different Methods—Emitter Aggregation
7.3 Influence of the Matrix Material
7.3.1 Photoluminescence Measurements
7.3.2 Time-Resolved Spectroscopy
7.4 Influence of Processing Parameters
7.4.1 Substrate Heating
7.4.2 Underlying Layer
7.4.3 Evaporation Rate
7.5 Summary and Implications of Aggregation on Efficiency Roll-Off
8 Summary and Outlook
8.1 Summary of Roll-Off Investigations
8.2 Improving the High-Brightness Performance Further
8.3 Concluding Words on Emitter Orientation
A Appendix to Theory of Efficiency Roll-Off
B Appendix to Emission and Sensing Profiles
B.1 Emission Profiles
B.2 Emission Profiles Including a Sensing Layer
B.3 Sensing Profiles
C Appendix to Double- and Mixed Emission Layers
C.1 Sample Uniformity
C.2 Influence of the Sensor on Current Density
C.3 Further D-EML and M-EML structures
D Appendix to Molecular Aggregation
List of Chemical Compounds
List of Abbreviations
List of Important Symbols
Bibliography
Acknowledgement / Die Effizienz organischer Leuchtdioden (OLEDs) nimmt üblicherweise mit ansteigender Stromdichte ab. Dieser so genannte Roll-Off erschwert den Markteintritt von OLEDs in Bereichen, die hohe Helligkeiten erfordern, wie beispielsweise in der Beleuchtung. Einer der wichtigsten Prozesse, die zu Roll-Off führen, ist die Annihilation von Exzitonen. Diese nimmt mit steigender Exzitonendichte zu und ist vor allem in phosphoreszenten OLEDs aufgrund der dort vorhandenen langen Triplettlebensdauer ein großer Verlustfaktor. Im Rahmen dieser Dissertation werden Methoden vorgestellt, die mittels Reduzierung der Exzitonendichte den Roll-Off in phosphoreszenten OLEDs verringern können. Dazu gehören die Veränderung der Exzitonenlebensdauer, die Untersuchung der räumlichen Verteilung der Exzitonen und die Erforschung der Bildung von Emitteraggregaten. Die gewonnenen Ergebnisse führen zu einem besseren Verständnis des Effizienz Roll-Offs und helfen, die Effizienz von OLEDs bei hohen Helligkeiten zu verbessern.
Die Emitterlebensdauer kann über den Purcell-Effekt durch Veränderung des die emittierenden Dipole umgebenden elektromagnetischen Felds beeinflusst werden. Dieser Effekt wird genutzt, indem der Abstand zwischen Emitter und Metallelektrode für zwei verschiedene OLED-Aufbauten variiert wird. Der Roll-Off ist stark abhängig von der Position und Orientierung des Emitters und kann durch Modellierung der Daten auf Basis von Triplett-Triplett-Annihilation erklärt werden. Durch Simulation des Roll-Offs in Abhängigkeit des Emitter-Kathode-Abstands, der Orientierung und der strahlenden Effizienz der emittierenden Dipole werden Prinzipien zur optimalen Leistung von OLEDs bei hohen Helligkeiten entwickelt.
Als nächstes wird eine Methode eingeführt mittels derer die räumliche Exzitonenverteilung extrahiert werden kann. Dafür wird eine dünne Sensorschicht in die Emissionsschicht eingebracht, die lokal Exzitonen auslöscht. Unter Variation der Position des Sensors wird ein Profil der Auslöschungsintensität bestimmt. Die gemessene Intensität wird mittels einer umfassenden Theorie auf Grundlage der Diffusionsgleichung angepasst, wodurch sich die räumliche Verteilung der Exzitonen und die Diffusionslänge mit einer Auflösung von 1nm ergibt. Die Methode wird auf eine Emissionsschicht angewandt, die das ambipolare Matrixmaterial CBP enthält. Entgegen der Erwartung, dass die Exzitonenbildung in ambipolaren Materialien weiter ausgedehnt ist, ist die gemessene Emissionszone sehr schmal und befindet sich an der Grenze zur Elektronentransportschicht. Um eine Verbreiterung des Emissionsprofils zu ermöglichen, werden weitere Strukturen untersucht. Dabei wird eine schmale Emissionszone in Doppelemissionsschichten beobachtet, wohingegen gemischte Emissionsschichten zu einer Verbreiterung der Exzitonenbildung führen können.
Vorangegangene Untersuchungen deckten einen Zusammenhang zwischen der Aggregation von Emittermolekülen und dem Dipolmoment des Emitters auf. In dieser Arbeit werden weitere Emittermoleküle untersucht, wobei eine stärkere Aggregation von homoleptischen Emittern im Vergleich zu heteroleptischen festgestellt wird. Dies ist einerseits im höheren Dipol-Dipol-Potential der homoleptischen Verbindungen und andererseits in der Molekülstruktur begründet. Eine systematische Analyse der Herstellungsparameter zeigt, dass die Aggregatbildung von dem darunter liegenden Material abhängt und mit steigender Substrattemperatur und sinkender Verdampfungsrate zunimmt.
Die zwei Grünemitter Ir(ppy)3 und Ir(ppy)2(acac) werden zusätzlich mittels Röntgenspektroskopie untersucht. Beide Emitter bilden kristalline Körner und weisen eine bevorzugte Orientierung auf. Sowohl die Kristallbildung als auch die Orientierung bleiben erhalten, wenn die Emitter mit mehr als 20 Gewichtsprozent in das Matrixmaterial CBP dotiert werden. Dieses Ergebnis ist ein erster Schritt zum besseren Verständnis der in vielen Iridium-Emittern beobachteten Orientierung des Übergangsdipolmoments.:List of Publications
1 Introduction
2 Principles of Organic Semiconductors
2.1 Molecular Orbitals
2.2 Optical Properties
2.3 Intermolecular Energy Transfer
2.4 Charge Transport
2.5 Organic Light-Emitting Diodes
2.5.1 Structure and Working Principle
2.5.2 Characterization
3 Theory of Efficiency Roll-Off
3.1 Current Status
3.2 Processes Leading to Roll-Off
3.2.1 Triplet-Triplet Annihilation
3.2.2 Triplet-Polaron Interaction
3.2.3 Further Processes Influencing Roll-Off
3.3 Interplay of the Various Processes
3.4 Scope of this Work
4 Experimental Methods
4.1 Sample Preparation
4.2 Measurement
4.2.1 Thin-Film Characterization
4.2.2 OLED Characterization
4.3 Materials
4.3.1 Electrodes, Transport Materials, and Blockers
4.3.2 Materials of the Emission Layer
5 Influence of the Optical Environment
5.1 Introduction
5.2 Influence of Emitter-Cathode Distance
5.3 Emitter Lifetime and Orientation
5.4 Correlation of Roll-Off and Orientation
5.5 Simulation of Roll-Off
5.5.1 Influence of the Electroluminescence Spectrum
5.5.2 Influence of Orientation and Radiative Efficiency
5.6 Conclusion
6 Influence of the Emission Profile
6.1 Preliminary Considerations
6.1.1 Exciton Generation and Diffusion
6.1.2 Width of the Emission Zone
6.1.3 Dependence on the Structure of the Emission Layer
6.2 Measurement of the Emission Profile
6.2.1 Method
6.2.2 Mathematical Description
6.2.3 Experimental Realization and Evaluation
6.3 Ambipolar Matrix Materials
6.3.1 Device Performance
6.3.2 Influence of the Sensing Layer
6.3.3 Emission Profile
6.4 Double- and Mixed Emission Layers
6.4.1 Emission Profile
6.4.2 Influence of the Matrix Ratio
6.5 Summary and Outlook
7 Influence of Molecular Aggregation
7.1 Introduction
7.2 Aggregation of Homoleptic and Heteroleptic Emitters
7.2.1 Photoluminescence Measurements
7.2.2 Time-Resolved Spectroscopy
7.2.3 X-Ray Diffraction
7.2.4 Conclusions on Emitter Orientation
7.2.5 Comparison of the Different Methods—Emitter Aggregation
7.3 Influence of the Matrix Material
7.3.1 Photoluminescence Measurements
7.3.2 Time-Resolved Spectroscopy
7.4 Influence of Processing Parameters
7.4.1 Substrate Heating
7.4.2 Underlying Layer
7.4.3 Evaporation Rate
7.5 Summary and Implications of Aggregation on Efficiency Roll-Off
8 Summary and Outlook
8.1 Summary of Roll-Off Investigations
8.2 Improving the High-Brightness Performance Further
8.3 Concluding Words on Emitter Orientation
A Appendix to Theory of Efficiency Roll-Off
B Appendix to Emission and Sensing Profiles
B.1 Emission Profiles
B.2 Emission Profiles Including a Sensing Layer
B.3 Sensing Profiles
C Appendix to Double- and Mixed Emission Layers
C.1 Sample Uniformity
C.2 Influence of the Sensor on Current Density
C.3 Further D-EML and M-EML structures
D Appendix to Molecular Aggregation
List of Chemical Compounds
List of Abbreviations
List of Important Symbols
Bibliography
Acknowledgement
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28916 |
| Date | 28 August 2015 |
| Creators | Murawski, Caroline |
| Contributors | Leo, Karl, Gather, Malte C., Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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