New Carbazole Based Materials for Optoelectronic Applications

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Sonntag, Martin:
New Carbazole Based Materials for Optoelectronic Applications.
Bayreuth , 2006
( Dissertation, 2006 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The motivation for this thesis was the synthesis, characterization and the testing of new, environmentally stable materials based on aromatic amines for OFET and OLED applications. The preparation of high quality thin films from solution as well as from the gas phase was an another important issue. The first part of this thesis deals with star-shaped molecular glasses with triphenylamine as core molecule. Substituted fluorene and carbazole units were attached to the core molecule as side arms via a trifold Suzuki cross coupling reaction. The target compounds were highly purified by medium pressure liquid chromatography (MPLC) as purity is an important prerequisite for organic materials to be used for optoelectronic applications. Before the new materials were finally tested in transistor devices, a suitable surface treatment of the OFET substrates was developed. By introducing self-assembled monolayers, prepared from hexamethyldisilazane (HMDS), on top of the SiO2 insulator layer of the FET substrates, the field-effect mobility was increased by at least one order of magnitude. Furthermore it was possible to improve on/off-ratios as well as turn on voltages. In conclusion hole carrier mobilities up to 3 x10-4 cm2/Vs and on/off-ratios of 10000 were achieved from the new star-shaped compounds. The performance of the devices was not affected by a four month storage period in air and daylight. The second part of this thesis describes the synthesis and characterization of a new class of fused heterocycles based on carbazole units. For this issue a series of bisindenocarbazoles is introduced as a new class of fused heterocycles. A synthetical procedure was designed which allows to tailor the thermal properties of the target compounds by introducing different alkyl substituents in the very last step of the synthesis. Yields up to 50 % can be obtained after six synthetical steps including purification of the intermediates. CV measurements showed the electrochemical stability of the novel compounds. Altogether five bisindenocarbazoles with different alkyl substitution patterns have been prepared and characterized. Their morphology varies from highly crystalline materials with short alkyl side chains to amorphous molecular glasses if longer or branched alkyl groups are attached to the core. As the bisindenocarbazoles exhibit a bright blue fluorescence together with high quantum yields, they were tested as blue emitter for OLED applications. In typical setups for blue light emitting LEDs, the blue emitter is doped into a wide band gap host material in order to avoid quenching of the electroluminescence and to adjust the energy levels of the different materials used in the setup. For this issue CBP, mCP and TCTA were tested as matrix materials together with a bisindenocarbazole as emitter. A combinatorial evaporation setup was used for the preparation of the OLED devices in order to dope the different host systems by co-evaporation of the bisindenocarbazole dye. This deposition method also allows the variation of the film thicknesses of the charge transport layers in a single experiment. By using this device architecture a deep-blue emission from the bisindenocarbazole dye at CIE color coordinates of x = 0.19 and y = 0.17 was obtained at a hole blocking layer thickness of 40 nm. Luminance values up to 200 cd/m2 were achieved with this series of devices. The turn on of the light emission was observed at 5 V. These very first results show that the bisindenocarbazole is a promising new blue fluorescent emitter for organic LEDs. Due to the rigid rod-like core of the bisindenocarbazole it was possible to obtain a novel derivative exhibiting a broad nematic mesophase by extending the core with aromatic side groups. By using a suitable alignment method, it is possible to obtain well ordered LC monodomains from which increased charge carrier mobilities can be obtained. The nematic LC phase was characterized with polarizing microscopy (POM) and small angle X-ray scattering (SAXS).

Abstract in weiterer Sprache

Ziel dieser Dissertation war die Synthese, Charakterisierung sowie die Erprobung neuer Materialien auf Basis aromatischer Amine für die Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLED) und Feld-Effekt Transistoren (OFET). Neben der Stabilität gegenüber Luftfeuchtigkeit und Sauerstoff war auch die Möglichkeit der Herstellung qualitativ hochwertiger dünner Filme sowohl aus Lösung als auch aus der Gasphase ein wichtiges Kriterium bei der Entwicklung dieser Materialien. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit molekularen Gläsern, die eine sternförmige Architektur aufweisen und aus einem Triphenylaminkern aufgebaut sind. Mittels einer dreifachen Kupplungsreaktion nach Suzuki wurde der Kern mit substituierten Fluoren- und Carbazoleinheiten verknüpft. Da organische Materialien für den Einsatz in optoelektronischen Bauteilen eine sehr hohe Reinheit aufweisen müssen, wurden die Zielverbindungen mit Hilfe der Mitteldruckchromatographie (MPLC) aufgereinigt. Bevor die neuen Substanzen in Transistoren getestet werden konnten, musste zunächst eine geeignete Oberflächenbehandlung für die OFET Substrate entwickelt werden. Durch die Abscheidung von selbstorganisierten Monoschichten aus Hexamethyldisilazan (HMDS) auf der SiO2 Isolatoroberfläche konnten die Feld-Effekt Mobilitäten der Transistoren um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden. Des weiteren konnten mit Hilfe dieser Methode das On/Off-Verhältnis sowie die Einschaltspannungen erheblich verbessert werden. Mit den neuen sternförmigen Verbindungen konnten Lochleitermobilitäten bis zu 3 x 10-4 cm2/Vs und On/Off-Verhältnisse von 10000 erreicht werden. Die Leistungsfähigkeit der Transistoren wurde selbst durch eine Lagerung an Licht und Luft über vier Monate nicht beeinträchtigt. Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung einer neuen Klasse von annelierten Heterozyklen auf der Basis von Carbazoleinheiten. Diesbezüglich wurde eine Reihe von Bisindenocarbazolen synthetisiert, die zu einer neuen Klasse von annelierten Heterozyklen gehören. Es wurde eine Synthesestrategie erarbeitet, die es ermöglicht die thermischen Eigenschaften der Zielmoleküle durch Einführung verschiedener Alkylgruppen im letzten Syntheseschritt zu steuern. Nach sechs Schritten und der Aufreinigung aller Zwischenstufen konnten mit dieser Synthese Ausbeuten von bis zu 50 % erzielt werden. CV Messungen belegen die elektrochemische Stabilität dieser neuen Substanzklasse. Insgesamt wurden fünf neue Bisindenocarbazole mit unterschiedlichen Alkylsubstituenten synthetisiert und charakterisiert. Durch gezielte Alkylierung konnten verschiedene Morphologien realisiert werden. Kurze Alkylsubstituenten führten zu kristallinen Verbindungen, wohingegen mit langen bzw. verzeigten Ketten amorphe Gläser erhalten wurden. Nachdem die Bisindenocarbazole stark blau fluoreszieren und hohe Quantenausbeuten aufweisen, wurden sie als blauer Emitter in OLEDs getestet. Normalerweise wird in einer OLED der blaue Fluoreszenzfarbstoff in ein Matrixmaterial mit großer Bandlücke eindotiert, um ein Quenchen der Elektrolumineszenz zu verhindern und um die unterschiedlichen Energieniveaus der verwendeten LED-Materialien angleichen zu können. Für diesen Zweck wurden CBP, mCP und TCTA als Matrixmaterialien getestet und mit einem bisindenocarbazol als Farbstoff dotiert. Für die Herstellung der OLEDs wurde ein kombinatorisches Aufdampfverfahren verwendet, welches ein gleichzeitiges Verdampfen der Matrixmaterialien zusammen mit dem Bisindenocarbazol Emitter ermöglichte. Mit Hilfe dieser Methode war es auch möglich die Dicken der Lochtransportschicht in einem einzigen Aufdampfzyklus zu variieren. Durch die Verwendung dieser OLED Architektur konnte eine tief blaue Emission des Bisindenocarbazols mit CIE Farbkoordinaten von x = 0.19 und y = 0.17 erzielt werden. Die Dicke der Lochblockerschicht betrug dabei 40 nm. Die maximale Leuchtkraft der OLED wurde zu 200 cd/m2 bestimmt. Die Effizienz des Devices liegt bei 1.60 cd/A. Die Einschaltspannung ab der eine Lichtemission wahr genommen wurde, lag bei 5 V. Diese Ergebnisse sind sehr viel versprechend und zeigen, dass die neuen Bisindenocarbazole als blaue Fluoreszenzemitter für die Verwendung in organischen Leuchtdioden gut geeignet sind. Aufgrund der stäbchenförmigen Struktur der Bisindenocarbazole war es durch eine Verlängerung des Grundkörpers mit aromatischen Seitengruppen möglich, ein neuartiges, flüssigkristallines Derivat mit einer breiten nematischen Phase herzustellen. Mit entsprechenden Orientierungsmethoden können geordnete LC Monodomänen erhalten werden, die durch einen höheren Ordnungsgrad verbesserte Ladungsträgerbeweglichkeiten ermöglcihen. Die nematische LC-Phase wurde mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie (POM) und mit Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) charakterisiert.