Beyond traditional emitters in light-emitting electrochemical cells

Resumen

Los futuros dispositivos de iluminación deben cumplir con una alta eficiencia, una excelente estabilidad en condiciones ambientales de almacenamiento / operación y una fabricación y reciclaje de bajo coste. Un ejemplo destacado es la tecnología de células electroquímicas emisoras de luz (LEC de las siglas en inglés light-emitting electrochemical cell). Estos consisten en dos electrodos estables al aire entre los que se intercala una película delgada de un material electroluminiscente mezclado con un electrolito iónico. Entre los componentes del dispositivo, el material electroluminiscente es la piedra angular de los LEC, ya que rige tanto el rendimiento del dispositivo como los aspectos de sostenibilidad. En este contexto, esta tesis se centró en el estudio, implementación y caracterización de nuevos emisores sostenibles, es decir, complejos de metales de transición iónicos d10 como Cu(I) y Ag(I) (d10-iTMCs de las siglas en inglés de ionic transition metal complexes) y pequeñas moléculas orgánicas (SMs de las siglas en inglés small molecules)Antes del comienzo de esta tesis doctoral, ambas familias de emisores presentaban varias limitaciones: i) bajo rendimiento del dispositivo con respecto a la eficiencia y la estabilidad de los dispositivos emisores amarillos y verdes, ii) falta de emisores azules estables, y iii) falta de LECs blancos eficientes y estables. El objetivo principal de esta tesis es abordar estos problemas para fabricar LECs altamente eficientes usando emisores sostenibles. En detalle, esta tesis se divide en 8 capítulos que resumen el estado del arte en LECs, aspectos teóricos sobre diseño de emisores, técnicas de caracterización, fabricación y análisis de dispositivos, nuestros principales avances en el campo y una conclusión y perspectiva crítica. 10 En el primer capítulo, se proporciona una breve introducción sobre los LECs y los materiales electroluminiscentes más comunes. El segundo capítulo proporciona una descripción teórica de las técnicas de caracterización y los protocolos de medición. El tercer capítulo se centra en la presentación de los resultados científicos. En particular, se divide en dos secciones: d10-iTMCs y SMs. Por un lado, nos centramos en los Cu-iTMC emisores azules, amarillos y rojos, y en los Ag-iTMCs emisores verdes. Para cada familia, racionalizamos la pérdida de estabilidad, que se atribuyó a los procesos de oxidación (Cu-iTMCs) o de reducción (AgiTMCs) irreversibles. Como tal, modificamos la arquitectura del dispositivo para desacoplar el transporte de huecos y electrodos de la recombinación. Además, se utilizaron los Cu-iTMC rojos más prometedores para construir el primer LEC blanco basado en Cu-iTMCs. Por otro lado, exploramos una nueva familia prometedora de SMs, es decir, nanographenes. En particular, estudiamos el comportamiento electroluminiscente de un miembro arquetipo, un nanografeno dopado con BN y otro retorcido. Dispositivos basados en estos emisores mostraron un rendimiento sobresaliente en comparación con el estado del arte de los LECs con SMs. Además, también presentaron comportamientos electroluminiscentes sorprendentes que racionalizamos usando una gran variedad de técnicas espectroscópicas y electroquímicas. En detalle, la emisión de dispositivos con el arquetipo de nanografeno exhibieron una fuerte dependencia del color con el aumento de la temperatura de los píxeles. Esto se empleó para arrojar luz por primera vez sobre el impacto del inevitable autocalentamiento al encender un dispositivo en su cromaticidad y las otras figuras de mérito. El nanografeno dopado con BN es un emisor azul en películas delgadas que produce LECs de emisión blanca con una alta eficiencia y estabilidad. La razón de este comportamiento poco común se atribuyó al campo eléctrico y a una emisión ternaria inducida por la temperatura. Finalmente, dispositivos con el nanografeno retorcido mostraron una dependencia poco común de la forma de la banda de electroluminiscencia con el campo eléctrico interno experimentado a través de la capa activa del dispositivo, alcanzando estabilidades de 3600 h con eficiencias de 0.74 lm/W. Todos estos resultados se racionalizaron combinando espectroscopia de emisión/absorción en estado estacionario y con resolución temporal, espectroscopia de impedancia electroquímica y ensayos microscópicos aplicados a películas y dispositivos delgados, así como una gran variedad de arquitecturas y condiciones de encendido, es decir, modos de operación y condiciones ambientales. El cuarto capítulo proporciona información sobre otros trabajos relacionados con esta tesis. El quinto capítulo resume los avances en LECs basados en d10-iTMCs y SMs logrados por otros grupos de investigación durante esta tesis. Esto ayudará al lector a contextualizar los resultados presentados en esta tesis. Finalmente, el sexto capítulo discute las principales conclusiones de esta tesis y las perspectivas de este campo.