Las nanopartículas de oro mejoran el transporte de electrones en la interfaz del cátodo PF‑NR2 para iPLEDs de alto rendimiento

Resumen

Para ampliar el impacto comercial de los diodos emisores de luz orgánicos (OLED), los diodos emisores de luz de polímero invertidos procesados en solución (iPLED) surgen como una plataforma prometedora. Sin embargo, la eficiencia de transporte de electrones de la capa de interfaz del cátodo —específicamente PF‑NR2— sigue siendo un cuello de botella. En este estudio, incorporamos nanopartículas de oro (Au NPs) de 20 nm en la capa PF‑NR2 a una proporción optimizada. La microscopía de fuerza atómica conductiva (c‑AFM) demostró un aumento sustancial en la conductividad electrónica, atribuible a la excelente conductividad metálica de las Au NPs. Los dispositivos fabricados con la capa PF‑NR2 dopada con Au NPs mostraron un aumento del 94 % en el brillo (de 17 k cd m⁻² a 33 k cd m⁻²) y una mejora del 101 % en la eficiencia luminosa (de 9.4 cd A⁻¹ a 18.9 cd A⁻¹). Estos resultados proporcionan una estrategia práctica y escalable para mejorar el rendimiento de iPLEDs de alta eficiencia.

Introducción

Durante las últimas dos décadas, los OLED han atraído una atención significativa debido a su flexibilidad, ligereza y fabricación rentable. El procesamiento en solución ofrece una ruta hacia una producción escalable y de bajo costo, sin embargo, el despliegue comercial de iPLEDs sigue limitado por capas de transporte de carga subóptimas. La interfaz del cátodo, particularmente el polímero PF‑NR2, es crítica para equilibrar la inyección de electrones y huecos. Trabajos previos han demostrado que las modificaciones de cadenas laterales del PF‑NR2 pueden mejorar la inyección de electrones, pero la movilidad electrónica intrínseca del polímero permanece modesta. Las nanopartículas metálicas —especialmente el oro— exhiben una conductividad eléctrica excepcional y propiedades plasmónicas que pueden aprovecharse para mejorar el transporte de carga en capas orgánicas. Este estudio explora la incorporación de Au NPs de 20 nm en la capa de interfaz PF‑NR2 y evalúa su impacto en el transporte de electrones y el rendimiento del dispositivo.

Materiales y Métodos

Materiales

El PF‑NR2 se sintetizó mediante acoplamiento Stille catalizado por Pd de 2,7-dibromo-9,9-bis(3-(N,N-dimetilamino)propil)fluoreno con 2,7-bis(4,4,5,5-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-9,9-dioctilfluoreno en tolueno/Na₂CO₃ bajo argón. Tras reflujo, el producto se precipitó en metanol, se filtró y lavó con acetona para eliminar oligómeros, obteniendo 0.28 g (rendimiento aislado 77 %). P‑PPV, vidrio ITO y PEDOT:PSS se adquirieron de proveedores comerciales. Las nanopartículas de oro (20 nm) se sintetizaron por el método de reducción con citrato de Frens.

Preparación del precursor de óxido de zinc (ZnO)

Acetato de zinc dihidratado (1 g) y etanolamina (0.28 g) se disolvieron en 2-metoxietanol (10 mL) y se agitaron durante 12 h para formar la solución precursora de ZnO.

Síntesis de Au NPs

HAuCl₄ (0.25 mM) se hirvió bajo agitación vigorosa, seguida de la adición de 1 mL de trisodico citrato al 5 %. La reacción prosiguió durante 15 min hasta que apareció un color rojo vino, indicando Au NPs de 20 nm.

Fabricación de dispositivos iPLED

El precursor de ZnO se depositó por centrifugado en ITO a 4000 rpm y se recoció a 200 °C durante 1 h, obteniendo películas de ~30 nm. La intercapa PF‑NR2 (2 mg mL⁻¹ en metanol + 10 µL mL⁻¹ de ácido acético) se centrifugó a 2000 rpm, formando una capa de ~5 nm. P‑PPV (6 mg mL⁻¹) se centrifugó a 1400 rpm para dar ~80 nm. Tras evacuación a 3 × 10⁻⁴ Pa, se evaporaron térmicamente 10 nm de MoO₃ y 120 nm de Al, definiendo un área de píxel de 16 mm². Todos los pasos, excepto la deposición de ZnO, se realizaron en una caja de guantes de nitrógeno (<10 ppm O₂/H₂O).

Caracterización de dispositivos y películas delgadas

Microscopía de fuerza atómica conductiva

La c‑AFM se realizó con un cantilever de silicio recubierto de Pt/Ir de 3 N m⁻¹, punto de ajuste 1 V, y amplificación de corriente (10⁷ V A⁻¹). Las curvas I‑V‑B se midieron en una caja de guantes usando un Keithley 236 SMU y un fotodiodo de silicio calibrado. También se registraron espectros UV‑Vis (Shimadzu UV‑3600), espesor de película (Dektak 150) y AFM (Seiko SPA 400).

Resultados y Discusión

Caracterización de Au NPs y película PF‑NR2

La microscopía electrónica de transmisión confirmó Au NPs monodispersas de 20 nm (Fig. 1a). Su pico LSPR a 520 nm (Fig. 1b) valida el tamaño de las nanopartículas. La mezcla PF‑NR2/Au NP (PF‑NR2/30 pM Au NPs) se centrifugó para producir películas de ~5 nm de espesor; mediciones de absorbancia (ley de Lambert-Beer) corroboraron el espesor (Fig. 2b).

a Imagen TEM. b Espectros de absorción de Au NPs

a Estructura molecular de PF‑NR2. b Variación del espesor de PF‑NR2 bajo diferentes condiciones de fabricación medida por espectroscopía UV‑Vis

Caracterización c‑AFM de películas delgadas PF‑NR2

El mapeo I‑V de c‑AFM reveló un aumento pronunciado en la densidad de corriente para PF‑NR2 dopado con 36 pM Au NPs, confirmando una inyección de electrones mejorada. A 120 pM, la conductividad disminuyó debido a la agregación de nanopartículas, como muestra SEM (Archivo adicional 1: Fig. S1). La carga óptima de Au NPs (36 pM) proporcionó el mayor transporte de electrones sin comprometer la morfología de la película (rugosidad RMS aumentó de 0.56 nm a 1.59 nm; Fig. 3).

Morfología de superficie PF‑NR2 AFM a, b imágenes de altura sin y con Au NPs y c imagen de fase con Au NPs (área de barrido 1.0 µm × 1.0 µm)

a Esquema de prueba c‑AFM. b, c Características I‑V cerca de una sola Au NP y representación de la altura de una sola Au NP en la capa PF‑NR2. Las ubicaciones de los números coloreados en la imagen insertada corresponden al color de la curva I‑V

Dispositivos solo de electrones ITO/ZnO (30 nm)/PF‑NR2 (5 nm, con y sin Au NPs)/P‑PPV (80 nm)/CsF (1.5 nm)/Al (120 nm)

a Esquemas del transporte de electrones mejorado propuesto de la capa híbrida con estructura invertida. b Estructura molecular de PF‑NR2. c Espectroscopía PL de P‑PPV con y sin Au NPs

Medidas de fotoluminiscencia (Fig. 6c) confirmaron que las Au NPs, confinadas dentro de la capa PF‑NR2, no apagan la emisión de P‑PPV, asegurando que las ganancias de rendimiento observadas provienen del transporte de carga mejorado y no de efectos ópticos.

a Densidad de corriente vs. voltaje aplicado (I‑V). b Brillo vs. densidad de corriente (B‑I), y c Eficiencia luminosa vs. densidad de corriente (LE‑I) bajo diferentes condiciones cuando P‑PPV se usó como capa emisora en iPLEDs, respectivamente

La integración de la capa PF‑NR2 dopada con Au NPs en una pila completa iPLED produjo un aumento del 94 % en el brillo (de 17 k cd m⁻² a 33 k cd m⁻²) y una mejora del 101 % en la eficiencia luminosa (de 9.4 cd A⁻¹ a 18.9 cd A⁻¹). Estas ganancias demuestran que las Au NPs proporcionan una ruta efectiva y escalable para mejorar la inyección de electrones y la eficiencia general del dispositivo.

Conclusiones

Incorporamos con éxito Au NPs de 20 nm en la capa de interfaz del cátodo PF‑NR2, logrando una mejora doble en el transporte de electrones sin comprometer el rendimiento óptico. Las películas PF‑NR2 dopadas con Au NPs exhibieron una inyección de electrones superior, lo que condujo a un aumento del 94 % en el brillo y un incremento del 101 % en la eficiencia luminosa en iPLEDs. Esta estrategia de dopado sencilla y escalable ofrece un camino práctico hacia OLED procesados en solución de alta eficiencia.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

Au NPs:

Nanopartículas de oro

B‑I:

Brillo vs. densidad de corriente

c‑AFM:

Microscopía de fuerza atómica conductiva

iPLED:

Diodo emisor de luz de polímero invertido

ITO:

Óxido de indio y estaño

I‑V:

Densidad de corriente vs. voltaje aplicado

I‑V‑B:

Densidad de corriente–voltaje–brillo

LE‑I:

Eficiencia luminosa vs. densidad de corriente

LSPR:

Resonancia plasmónica de superficie localizada

OLED:

Diodo emisor de luz orgánico

P3HT:ICBA:

Poli(3-hexiltiofeno): bisadducto de indeno-C₆₀

PEDOT:PSS:

Poli(3,4-etilendioxitiofeno):poli(estireno-sulfonato)

PF‑NR2:

Poli[(9,9-bis(3′-(N,N-dimetilamino)propil)-2,7-fluoreno)-alt-2,7-(9,9-dioctilfluoreno)]

PL:

Fotoluminiscencia

PLED:

Diodo emisor de luz de polímero

P‑PPV:

Poli-poli(2-(4-(3′,7′-dimetiloctiloxifenil)-1,4-fenileno-vinileno)

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión