Blending Ionic Liquids to Ir Complexes for Applications in Light-Emitting Electrochemical Cells (LEECs)

À l'heure actuelle, la recherche de nouvelles sources de lumière efficaces à bas cout connaît une progression impressionnante. Les cellules électrochimiques émettrices de lumière (LEECs) sont des sources de lumière à deux électrodes à base de complexes de métaux de transition ioniques (iTMCs) ou bien de polymères organiques, en tant que matériau pour l'émission. Le matériau émetteur peut être mélangé avec des électrolytes. Les électrolytes sont ajoutés pour diminuer la tension de fonctionnement du dispositif, à travers l'amélioration de l'efficacité du processus d'injection de porteurs de charge. Les avantages des polymères sont : faible coût, facilité de mise en oeuvre, possibilité dé dépôt sur des grandes surfaces, flexibilité, et, surtout, possibilité de moduler la couleur d'émission en modifiant la structure moléculaire du polymère au moyen de la synthèse chimique. Néanmoins, les LEECs à base de iTMCs montrent une plus grande efficacité en raison de l'émission de lumière par phosphorescence en plus du processus de fluorescence. L'un des principaux défis dans le domaine des LEECs est leur long temps de commutation, en raison du transport ionique, relativement long, qui a lieu dans les dispositifs. Ce temps peut être réduit en utilisant, en tant qu'électrolyte, un liquide ionique (IL). Par rapport aux sels conventionnels, les liquides ioniques présentent une mobilité ionique plus élevée conduisant à son tour à un temps de commutation plus court. Cependant la présence de liquides ioniques dans la couche est accompagnée par une diminution de la stabilité du dispositif. Des études fondamentales sont nécessaires pour mieux comprendre le mécanisme de travail de LEECs et en améliorer les performances. A cette fin, l'architecture idéale est celle planaire, car elle permet la mesure directe de l'intensité de la lumière émise, par des sondes optiques. En plus de cela, la fabrication du dispositif planaire est beaucoup plus simple que la fabrication d'un dispositif analogue vertical. Des dispositifs LEECs planaires à base de iTMC n'ont jamais été construits. Dans ce travail, des couches minces de Ir(ppy)2(bpy)+PF6 – ou bien de mélanges de Ir(ppy)2(bpy)+PF6/BMIm+PF6 - ont été déposées par méthode spin-coating sur des substrats différents, y compris des motifs d'Au sur SiO2, Au sur verre, verre conducteur, et verre conducteur modifié avec le polymère conducteur PEDOT : PSS. Nous avons étudié l'effet de la nature du substrat et des conditions de dépôt de la couche mince sur la morphologie de la couche mince, pour avancer les connaissances sur le mécanisme de fonctionnement de LEECs.

Abstract

At present, the search for novel efficient and low cost solid state light sources is experiencing impressive progress. Light emitting electrochemical cells (LEECs) are two-electrode light sources made of ionic transition metal complexes (iTMCs) or organic polymers as the light emitting material, in some cases blended with electrolytes. Electrolytes are intended for lowering the operating voltage of the device by improving the efficiency of the charge carrier injection process. The advantages of polymer semiconductors include low cost, easy processing in solution for use in large area and flexible devices, different colors of light emission tailorable by molecular synthesis. Nevertheless, LEECs based on iTMCs show higher efficiency due to light emission via phosphorescence in addition to fluorescence processes. One of the main challenges in the field of LEECs is their long turn on time, due to ionic transport in the cell. The turn on time can be decreased by using as the electrolyte an ionic liquid (IL). Compared to conventional salts, ionic liquids exhibit higher ion mobility leading to lower turn on times. However, the presence of ILs in the film is unfortunately accompanied by a decrease in the stability of the device. Fundamental studies are needed to better understand the LEEC working mechanism and improve device performance. For this purpose, the ideal architecture for LEECs is a planar one since it enables the direct measurement of the intensity of the emitted light by optical probes as well as the imaging of the emission. In addition to that, planar device fabrication is much simpler than vertical. LEECs with a planar configuration based on Ir complexes have not been reported. In this work, thin films of Ir(ppy)2(bpy)+PF6 - and blends of Ir(ppy)2(bpy)+PF6 -/BMIm+PF6 –were spin coated on different substrates, including Au-patterned SiO2, Au-patterned glass, ITO, and PEDOT:PSS covered-ITO. The effect on the film morphology of the nature of the substrate and the film processing conditions was investigated, to shed light in to the LEEC working mechanism. Film formation was studied using fluorescence hyperspectral imaging and Atomic Force Microscopy (AFM).