Designing novel host materials for blue phosphorescent organic light-emitting diodes

Entwicklung neuer Matrixmaterialien für blaue phosphoreszente organische Leuchtdioden

The overall efficiency of an organic light-emitting diode (OLED) is always limited to the efficiency of its individual components. The most important component is the emission layer, where excitons are formed and light is generated. This thesis deals with the improvement of one class of OLED component, namely host materials for blue phosphorescent emitters. Three generations of 1,3,5-triazine-based materials with varying donor-substituents are presented in this work. In the first generation carbThe overall efficiency of an organic light-emitting diode (OLED) is always limited to the efficiency of its individual components. The most important component is the emission layer, where excitons are formed and light is generated. This thesis deals with the improvement of one class of OLED component, namely host materials for blue phosphorescent emitters. Three generations of 1,3,5-triazine-based materials with varying donor-substituents are presented in this work. In the first generation carbazole units are bound to the triazine core. The second generation consists of triazines with diarylamino substituents. The third generation compounds are a combination of disubtituted triazines from the first two generations and a phenoxy-carbazole unit. While the first and second generation comprise substituents that are directly bound to the triazine core, in the third generation triazines the phenylcarbazole-donor is attached via a nonconjugated ether bond. Within each generation various properties are tailored to fulfill the complex profile of requirements for host materials. Known nucleophilic substitution reactions were further improved to enable the efficient synthesis of novel host materials in very high purity and high yields. The sequential replacement of the chlorines of cyanuric chloride is dependent on temperature, actual ring substitution and the nature of the nucleophile. Effective methods were developed to yield asymmetrically substituted triazines in a controlled manner. The thermal properties, including the thermal stability to enable the processing by vapor deposition and the glass forming properties to result in a morphological stability of prepared thin emission layers, were controlled by systematic investigation of different substitution patterns. Thus, glass transition temperatures up to 170 °C are presented. Studies of the long term stability of amorphous host films, carried out for several materials, revealed its importance for long term efficient devices. The electrochemical properties of the novel compounds were investigated by cyclic voltammetry to study the energetic position of the HOMO and the LUMO as well as the stability of the material upon oxidation and reduction. Using this method the injection properties of the materials were determined. The blocking of activated positions resulted in reversible redox behavior. Furthermore the ionization potential was decreased for the third generation triazines to yield an improved hole injection into these materials. Additionally computational calculations were carried out to understand and further improve the energy levels by substituent exchange. This led directly to the development of bipolar host materials with separated hole and electron transport units within one molecule. Furthermore single carrier devices were fabricated to demonstrate the benefits of the transport bipolar characteristics. For the efficient operation of a device the triplet energy of the host material has to be higher compared to the emitter. First generation triazines exhibit triplet energies up to 2.96 eV and therefore enable the use of light and middle blue phosphorescent emitters. Second generation triazines comprise exceptionally high triplet energies up to 3.24 eV. These are amongst the highest values reported in the literature and facilitate the use of deep blue phosphorescent emitters. For hosts of the third generation the triplet energy depends on the choice of the triazine moiety. They are therefore suited for light and deep blue emitter. Extensive photo physical characterizations of all materials have been carried out in solutions, neat films and doped films. Energy transfer experiments with several emitters additionally gained valuable information about the compatibility of host and guest molecules All generations of triazines are tested as host material in OLEDs. The optimization of the device configurations was carried out by combinatorial evaporation. The sequential adaption of layer thickness and composition helped to improve the device performance. The stepwise optimization of the host material properties resulted in an enduring progression concerning the luminance and efficiency. For the third generation triazines 11.5 % external quantum efficiency and a high brightness of 33000 cd/m2 were achieved.show moreshow less
Die Gesamteffizienz einer organischen Leuchtdiode (OLED) wird durch die Effizienzen ihrer Einzelkomponenten, aus denen sie aufgebaut ist, bestimmt. Der wichtigste Bestandteil ist die Emitterschicht, in der Exzitonen gebildet werden und Licht erzeugt wird. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung einer Klasse an OLED Materialien, genauer den Matrixmaterialien für blaue Phosphoreszenzemitter. In dieser Arbeit werden drei Generationen von 1,3,5-Triazinen mit verschiedenen DonorsubstiDie Gesamteffizienz einer organischen Leuchtdiode (OLED) wird durch die Effizienzen ihrer Einzelkomponenten, aus denen sie aufgebaut ist, bestimmt. Der wichtigste Bestandteil ist die Emitterschicht, in der Exzitonen gebildet werden und Licht erzeugt wird. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Optimierung einer Klasse an OLED Materialien, genauer den Matrixmaterialien für blaue Phosphoreszenzemitter. In dieser Arbeit werden drei Generationen von 1,3,5-Triazinen mit verschiedenen Donorsubstituenten vorgestellt. In der ersten Generation sind Carbazoleinheiten direkt an den Triazinkern geknüpft und bei der zweiten Generation wurden diese durch Diarylaminogruppen ersetzt. Die dritte Generation ist eine Kombination aus den disubstituierten Triazinen der ersten beiden Generationen und einer Phenoxycarbazoleinheit. Während in den ersten beiden Generationen die Donorsubstituenten direkt an den Kern gebunden sind, so ist in der dritten Generation der Phenoxycarbazoldonor nicht konjugiert über eine Etherbrücke angebunden. Innerhalb einer jeden Generation werden verschiedene Eigenschaften maßgeschneidert um dem komplexen Anforderungsprofil der Matrixmaterialien gerecht zu werden. Hierzu wurden bekannte nukleophile Substitutionen weiter verbessert, um Matrixmaterialien effizient, hochrein und in guten Ausbeuten herzustellen. Das schrittweise Ersetzen von Chlorsubstituenten des Cyanursäurechlorides ist abhängig von der Reaktionstemperatur, des Substitutionsmusters am Ring und der Natur des Nukleophils. In dieser Arbeit wurden effektive Methoden entwickelt, um asymmetrisch-substituierte Triazine in kontrollierter Weise zu erhalten. Die thermischen Eigenschaften, welche die thermische Stabilität und die Glasbildungs-eigenschaften beinhalten, wurden durch systematisches Untersuchen von verschiedenen Substitutionsmustern kontrolliert. Eine hohe thermische Stabilität ermöglicht das physikalische Aufdampfen der Materialien. Gute Glasbildungseigenschaften führen zu morphologisch stabilen Emissionsschichten. Hierzu werden Verbindungen mit hohen Glasübergangstemperaturen von bis zu 170°C vorgestellt. Untersuchungen zur Langzeitstabilität von amorphen Matrixmaterialfilmen, die für verschiedene Materialien durchgeführt wurden, demonstrieren die Bedeutung für eine hohe Lebensdauer und Effizienz der Bauteile. Die elektrochemischen Eigenschaften der neuen Verbindungen wurden hinsichtlich der Lage der HOMO und LUMO Energieniveaus sowie der Stabilität der Materialien gegen Oxidation und Reduktion untersucht. Weiterhin wurden mit dieser Methode die Injektionseigenschaften gegenüber den Ladungsträgern bestimmt. Das Blockieren von reaktiven Positionen am Molekül resultierte reversiblem Redoxverhalten. Zusätzlich wurden Computerberechnungen durchgeführt um die Lage oder Verschiebung der Energieniveaus zu verstehen und durch Substituentenaustausch weiter zu verbessern. Das führte zur Entwicklung von bipolaren Matrixmaterialien, bei denen innerhalb eines Moleküls separate Einheiten für den Loch- und Elektronentransport vorhanden sind. Es wurden ‚Single-Carrier-Devices‘ hergestellt um die Vorteile der beschriebenen bipolaren Transportcharakteristik der Materialien aufzuzeigen. Für einen effizienten Betrieb der OLED zu gewährleisten muss weiterhin das Tripletniveau des Matrixmaterials höher sein als das Tripletniveau des Emitters. Die Triazine der ersten Generation zeigen Triplettenergien von bis zu 2.96 eV und sind deshalb für leicht- und mittelblaue Emitter geeignet. Die Triplettniveaus der zweiten Triazingeneration sind mit bis zu 3.24 eV außerordenlich hoch. Das sind Werte, die sich unter den höchsten jemals in der Literatur vorgestellten Triplettenergien befinden. Bei den Verbindungen der dritten Generation hängt die Lage des Tripletniveau von der Wahl der Triazineinheit ab. Sie sind deshalb sowohl für leicht- als auch für tiefblaue Emitter geeignet. An den Materialien wurden intensive photophysikalische Untersuchungen sowohl in Lösungs als auch als auch an reinen und dotierten Filmen durchgeführt. In Energietransferexperimenten dotierter Schichten konnten wertvolle Informationen bezüglich Effizienz und Verträglichkeit der Matrix-Emitter Kombinationen gewonnen werden.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Michael Rothmann
Advisor:Prof. Dr. Peter Strohriegl
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:18.03.2010
Year of Completion:2009
SWD-Keyword:Elektrolumineszenz; OLED; Phosphoreszenz; Triazine
Tag:Elektrolumineszenz; OLED; Phosphoreszenz; Triazine; bipolar
OLED; bipolar; electroluminescence; phosphorescence; triazines
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-6946
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):21.05.2010