Σχεδιασμός, ανάπτυξη και μελέτη οργανικών διόδων εκπομπής φωτός για εφαρμογές φωτισμού και βιο-αισθητήρων

Abstract

The aim of the present dissertation was the design, development, and study of multilayer OLED devices, which are based on photoactive organic and organometallic semiconductors as the emissive layer, for applications in lighting and optical biosensors. Conjugated polymers and iridium-based organometallic complexes were investigated to achieve high-purity green and red emission. Spectroscopic Ellipsometry was employed to determine the optical properties of thin films. UV–Vis Absorption Spectroscopy and Photoluminescence Spectroscopy were applied to study the absorption and emission characteristics of the materials, their spectral width, and the corresponding chromaticity coordinates. Cyclic Voltammetry was utilized to determine the HOMO and LUMO energy levels, while Atomic Force Microscopy was used to investigate surface roughness, nanotopography, and the uniformity of the developed films. Based on the characterization results, blends of fluorescent polymers and phosphorescent iridium complexes were developed to achieve white light emission. It was found that energy transfer mechanisms and charge trapping processes determine the final spectral and operational characteristics of the devices. Polymer blends approached the ideal CIE (0.33, 0.33) closer and exhibited higher CRI values. In particular, the F8: F8T2: SPR-001 blend with a ratio of 97%: 2.5%: 0.5% achieved CIE coordinates (0.32, 0.39) and CRI of 92. Furthermore, green- and red-emitting PLEDs and PhOLEDs were fabricated using the spin coating technique, based on the studied polymers and Ir-complexes, respectively. It was observed that the thickness of the emissive layer is a critical parameter in shaping electroluminescence characteristics, as thinner films of F8T2 and F8:F8BT led to increased color selectivity. In contrast, devices with thicker emissive layers of SPG-01T and SPR-001 exhibited broader emission spectra. The device incorporating SPG-01T as the active film recorded the highest luminance (20690 cd/m²), due to more favorable energy alignment with adjacent layers in the multilayer architecture. Despite their superior electroluminescence properties, the overall operational characteristics of PhOLEDs were found to be more limited compared to PLEDs. In the final stage of the study, flexible PLEDs were developed using thin films of F8T2 and F8:F8BT, exhibiting narrow electroluminescence spectra, while those based on thicker SPG-01T films approached optimal CIE values (0.30, 0.60), with broader spectra and a maximum luminance of 2623 cd/m². Investigating the ability of PLEDs to optically excite R6G, it was shown that the thickness of the photoactive layer, the electro-optical properties of the devices, and their matching with the photophysical characteristics of the analyte are critical factors for the design of optical biosensors. In parallel, flexible PLEDs incorporating SPR-001 as the chromophore were developed, where optimization of its thickness and the use of CuSCN as HTL reduced the electroluminescence spectral width, more than doubled the maximum luminance (6105 cd/m²), and enabled the fabrication of fully printed devices. Moreover, the profile of red emission remained stable after transmission through biological tissue, confirming the advantage of emission within the “optical window” for pulse oximetry applications. Finally, the evaluation of encapsulation materials showed that thermally curable resins provide superior electrical characteristics and emission uniformity, extending the operational lifetime of the devices under humid conditions.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη μέσω τεχνικών υγρής εναπόθεσης, και η μελέτη πολυστρωματικών διατάξεων OLED, οι οποίες βασίζονται σε φωτοενεργούς οργανικούς και οργανομεταλλικούς ημιαγωγούς ως στρώμα εκπομπής, για εφαρμογές φωτισμού και οπτικών βιο-αισθητήρων. Εξετάστηκαν φωτοενεργά συζυγή πολυμερή και οργανομεταλλικά σύμπλοκα Ιριδίου με στόχο την επίτευξη υψηλής καθαρότητας πράσινη και ερυθρή εκπομπή. Η τεχνική της Φασματοσκοπικής Ελλειψομετρίας εφαρμόστηκε για τον προσδιορισμό των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων των υμενίων. Μέσω της Φασματοσκοπίας Απορρόφησης UV-Vis και της Φασματοσκοπίας Φωτοφωταύγειας μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά απορρόφησης και εκπομπής των υλικών, το φασματικό εύρος καθώς και οι αντίστοιχες χρωματικές συντεταγμένες. Με την τεχνική της Κυκλικής Βολταμμετρίας προσδιορίστηκαν οι στάθμες ΗΟΜΟ και LUMO των φωτοενεργών μορίων ενώ με τη χρήση της Μικροσκοπίας Ατομικών Δυνάμεων διερευνήθηκαν η επιφανειακή τραχύτητα, η νανοτοπογραφία καθώς και η ομοιογένεια των αναπτυσσόμενων υμενίων. Από τα αποτελέσματα του βασικού χαρακτηρισμού των φωτονενεργών υμενίων, αναπτύχθηκαν μίγματα φθοριζόντων πολυμερών και φωσφοριζόντων συμπλόκων Ir με στόχο την επίτευξη λευκού φωτός. Διαπιστώθηκε ότι οι μηχανισμοί μεταφοράς ενέργειας και παγίδευσης φορτίων καθορίζουν την τελική εκπομπή φωτός καθώς και τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των διατάξεων. Τα μίγματα των πολυμερών προσέγγισαν πλησιέστερα τις ιδανικές χρωματικές συντεταγμένες (0.33, 0.33) και παρουσίασαν υψηλότερο δείκτη CRI. Ιδιαίτερα, τo F8: F8T2: SPR-001 με αναλογία 97%: 2.5%: 0.5%, κατέγραψε CIE (0.32, 0.39) και CRI 92. Επίσης, αναπτύχθηκαν PLEDs και PhOLEDs, πράσινης και κόκκινης εκπομπής με την τεχνική Spin Coating, τα οποία βασίστηκαν στα εξεταζόμενα πολυμερή και σύμπλοκα Ir, αντίστοιχα. Διαπιστώθηκε ότι το πάχος του στρώματος εκπομπής αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για τη διαμόρφωση των χαρακτηριστικών της ηλεκτροφωταύγειας καθώς λεπτότερα υμένια των F8T2 και F8:F8BT οδήγησαν σε αυξημένη χρωματική επιλεκτικότητα. Αντίθετα, διατάξεις με παχύτερα στρώματα εκπομπής των SPG-01T και SPR-001, παρουσίασαν ευρύτερο φάσμα εκπομπής. Η συσκευή με ενεργό υμένιο το SPG-01T κατέγραψε τη μεγαλύτερη μέγιστη φωτεινότητα (20690 cd/m²), λόγω ευνοϊκότερης ενεργειακής ευθυγράμμισης με τα γειτονικά στρώματα της πολυστρωματικής αρχιτεκτονικής. Παρά τις ανώτερες ιδιότητες ηλεκτροφωταύγειας, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των PhOLEDs κρίθηκαν συνολικά πιο περιορισμένα σε σχέση με τα PLEDs. Στο τελευταίο στάδιο της μελέτης, αναπτύχθηκαν εύκαμπτα PLEDs με λεπτά υμένια F8T2 και F8:F8BT και στενό φάσμα EL, ενώ τα αντίστοιχα με παχύτερο υμένιο SPG-01T προσέγγισαν τις βέλτιστες CIE τιμές (0.30, 0.60) με ευρύτερο φάσμα και με την υψηλότερη τιμή μέγιστης φωτεινότητα 2623 cd/m². Διερευνώντας την ικανότητα των PLEDs να διεγείρουν οπτικά την Ροδαμίνη 6G, το πάχος του φωτοενεργού στρώματος, οι ηλεκτρο-οπτικές ιδιότητες των συσκευών και η αντιστοίχισή τους με τα φωτοφυσικά χαρακτηριστικά του αναλύτη αναδείχτηκαν ως κρίσιμοι παράγοντες για τον σχεδιασμό οπτικών βιοαισθητήρων. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν εύκαμπτα PLEDs με το SPR-001 ως χρωμοφόρο, όπου η βελτιστοποίηση του πάχους του και η εφαρμογή του CuSCN ως στρώμα μεταφοράς οπών, μείωσε το φασματικό εύρος ηλεκτροφωταύγειας, υπερδιπλασίασε τη μέγιστη φωτεινότητα (6105 cd/m²) και επέτρεψε τον σχεδιασμό πλήρως εκτυπωμένων διατάξεων. Επιπλέον, το προφίλ της ερυθρής εκπομπής διατηρήθηκε αμετάβλητο μετά τη διέλευση από βιολογικό ιστό, επιβεβαιώνοντας το πλεονέκτημα της εκπομπής στο «οπτικό παράθυρο» για εφαρμογές παλμικής οξυμετρίας. Ταυτόχρονα, η αξιολόγηση υλικών ενθυλάκωσης έδειξε ότι οι θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες προσφέρουν ανώτερα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και ομοιομορφία εκπομπής, διευρύνοντας την διάρκεια λειτουργίας των διατάξεων υπό συνθήκες υγρασίας.