Stegmaier, Katja (2011)
Elektrische Ermüdung polymerbasierter organischer Leuchtdioden.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Ziel dieser Arbeit war es, einen Beitrag zur Aufklärung der Degradationsmechanismen in Poly(para-phenylenvinylen)(PPV)-basierten organischen Leuchtdioden (OLEDs) zu leisten. Hierbei lag der Fokus auf zwei unterschiedlichen Ermüdungsphänomenen: Zum einen wurde ein struktureller Defekt innerhalb des Polymers auf seine negative Wirkung bezüglich Effizienz und Lebensdauer von OLEDs analysiert, zum anderen war der Einfluss der intrinsischen Ermüdung auf die Transporteigenschaften in PPVs Gegenstand der Untersuchungen. Die Aufklärung der Reaktionmechanismen der Gilch-Synthese führte zur Erkenntnis, dass eine nicht vollständig verlaufene Dehydrohalogenierung zu Halogenvinyl-Defekten im erzeugten Polymer führt. Die Anzahl der Defekte kann durch eine Verlängerung der Synthesedauer reduziert werden. Eine genaue Untersuchung der Bauteileigenschaften von OLEDs mit halogenreichem und -armem PPV legte einen ausgeprägten negativen Einfluss des Halogendefektes auf die Funktionsweise der PPV-basierten OLEDs offen. Luminanz-Effizienz und Lebensdauer der defektreichen OLEDs sind limitiert. Flugzeitmessungen wurden an bromarmen und bromreichen Bauteilen durchgeführt und sowohl Strom-Spannungs- als auch Lumineszenz-Spannungs-Kennlinien genau analysiert. In Verbindung mit der Halogenverteilung im Querschnitt der OLED, welche durch die Sekundärionen-Massenspektrometrie ermittelt wurde, konnte schließlich der Ermüdungsmechanismus durch den Bromvinyl-Defekt aufgedeckt werden: Zum einen hat der Bromdefekt einen negativen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit frischer Bauteile. Das Halogen wirkt hierbei als Lumineszenz-Löscher und reduziert die Lichtausbeute. Außerdem kann das Brom bereits im frisch hergestellten Bauteil durch Einfang eines freien Elektrons als Halogen-Anion abgespaltet werden und treibt im elektrischen Feld zur Kathode. Diese wird durch Bildung eines Salzes bereits bei der Bauteilherstellung geschädigt, was die Elektroneninjektion und somit die gesamte Funktionalität bereits beim ersten Betrieb beeinträchtigt. Zum anderen hat der Bromdefekt einen negativen Einfluss auf die Lebensdauer: Für die rasante Ermüdung bromreicher PPV-Dioden scheint die Anode verantwortlich, welche durch Bildung von Indium- oder Zinnhalogenid geschädigt wird. Im elektrischen Feld driftet während des Betriebes das im Volumen abgespaltene Brom-Anion an die Anode. Es konnte gezeigt werden, dass der in dieser Arbeit untersuchte Bromvinyl-Defekt einen größeren Einfluss auf die Bauteileigenschaften von OLEDs hat als der bekanntere und in der Vergangenheit ausführlicher erforschte Tolan-Bisbenzyl-Defekt. Schließlich wurden die Lochtransporteigenschaften von bromarmen PPVs vor und nach elektrischem Betrieb untersucht. Hierbei ermöglichten OLED-ähnliche Strukturen mit vergleichsweise dicken PPV-Schichten die Durchführung von Flugzeitmessungen an unter realen Bedingungen betreibbaren Bauteilen. Durch Vergleich mit CELIV-Experimenten an echten OLEDs und durch theoretische Simulation konnte bewiesen werden, dass sich folgende Ergebnisse der Flugzeitexperimente auf Dünnschicht-OLEDs übertragen lassen: elektrische Ermüdung führt für alle verwendeten PPV-Derivate zu einer Erniedrigung der Lochbeweglichkeit, einem Anstieg der Feldabhängigkeit der Lochbeweglichkeit und einem Übergang zu stärker dispersivem Lochtransport. Eine mögliche Ursache für diese Veränderungen konnte durch Anwendung des korrelierten Gauß’schen Unordnungsmodells aufgedeckt werden: Es scheint, dass durch elektrische Ermüdung der Unordnungsparameter der PPV-basierten Materialien vergrößert und somit die Zustandsdichteverteilung verbreitert werden. Abschließend wurden unterschiedliche Varianten von elektrischer und optischer Ermüdung an verschiedenen PPV-basierten Bauteilstrukturen durchgeführt. Flugzeitexperimente vor und nach diesen Ermüdungsschritten zeigten, dass für eine Veränderung des Lochtransportes die Anwesenheit von Elektronen nötig ist. Reabsorptionsprozesse stellen in der gesamten PPV-Schicht vermehrt Elektronen bereit und bilden somit die Grundlage für die Degradation des Lochtransportes. Somit konnte ein wichtiger Mechanismus der intrinsischen Bauteilermüdung aufgedeckt werden.

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