pentahelicene derivatives for organic electronic devices · pentahelicene derivatives for organic...

28/03/62

1

27/03/2019 NAC2019 1

Somboon Sahasithiwat, Thanasat Sooksimuang, Laongdao Kangkaew, Waraporn Panchan, Wannee Sookbangnop

Pentahelicene derivatives for organic electronic devices

National Metal and Materials Technology Center (MTEC) , Thailand

27/03/2019 NAC2019 2

Organic Electronics แนะนาํเทคโนโลยี ความสาํคญัในอนาคต

Organic compound-สารประกอบอินทรียค์ือสารประกอบที�มี Cเป็นส่วนประกอบ ทั�งนี� รวมความถึงทั�งสารโมเลกุลเล็ก และโพลเิมอร์

Electronics คือสาขาวิชาที�ว่าดว้ยการควบคุมอิเลก็ตรอน ซึ�งทาํไดด้ว้ยอุปกรณ์ที�สร้างขึ�นจากสารกึ�งตวันาํ

สารอินทรียที์�มีสมบตัิเป็นสารกึ�งตวันาํสามารถนาํมาใชแ้ทนที�สารอนินทรีย์เพื�อสร้างเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้สารอินทรียก์ึ�งตวันาํมีใหเ้ลือกใชไ้ดไ้ม่จาํกดั โดยมีสารชนิดใหม่ถกูสังเคราะห์เพิ�มขึ�นตลอดเวลา

กรรมวิธีในการสร้างอุปกรณ์อิเลก็ทรอนิกส์จากสารอินทรียม์ีตน้ทุนของเครื�องมือที�ถูกกว่า ถูกสร้างบนวสัดุที�หลากหลาย เช่นกระดาษ พลาสติก หรือแมแ้ต่ผวิหนังได้

ประยุกตใ์ชใ้นงานดา้น OLED, OFET, Solar cell, และ sensor ซึ�งเป็นฐานของการนาํไปสร้างนวตักรรมใหม่อื�น ๆ ต่อไป

28/03/62

2

27/03/2019 NAC2019 3

แสงคืออะไร

27/03/2019 NAC2019 4

S0

S1

T1

Ener

gy

Absorption FluorescencePhosphorescence

Singlet Excited State Triplet Excited State

Ground State

S2

Vibrational RelaxationInternal Conversion

Intersystem Crossing

Non-Radiative Relaxation

Jablonski diagram

28/03/62

3

27/03/2019 NAC2019 5

Y. Shen and C. F. Chen, Chemical Reviews 2012, 112, 1463. M. Gingras, G. Felix, and R. Peresutti, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 1007-1050.

Carbohelicene and heterohelicene

Chirality

[6]helicene 1-aza[6]helicene 7,8-dioxa[6]helicene

Ortho- fused polycyclic aromatic compounds

27/03/2019 NAC2019 6

Helicenes

Phenanthrene [4]helicene [5]helicene [6]helicene [7]helicene [8]heliceneFf 0.12 0.18 0.040 0.041 0.021 0.014

ts (ns) 63 35.5 25.5 14.5 13.8 10.0

Interplanar 26.7 46.03 58.8

angle (o)lem (nm) 372 395 413 425 <400

M. Sapir and V. Donckt, Chemical Physics Letters 1975, 36, 108-109.Y. Shen and C. F. Chen, Chemical Reviews 2012, 112, 1463.W. R. Ware and P. T. Cunningham, J. Chem. Phys. 1965, 43, 3826.www.sigmaaldrich.com

anthracene tetracene pentaceneFf 0.27 0.16 0.08ts (ns) 5.1 4.2lem (nm) 375,396 481,514HOMO (eV) 5.7 5.4 5.0LUMO (eV) 1.7 2.7 3.0

28/03/62

4

27/03/2019 NAC2019 7

D. J. Morrison et al., J. Org. Chem. 2005, 70, 5309-12.

H. Gorner et al. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1999, 120, 171-9.

Ff 0.27 Ff 0.96 Ff 0.49 Ff 0.22 Ff 0.61

M101A M101 M201 M337A M337

Eg(eV) 2.71 2.91 2.66 2.08 2.16

lem(nm) 457,482 460 524 653 622

27/03/2019 NAC2019 8

28/03/62

5

Display : Pixel

9

OLED :Display

10

Passive matrix Active matrix

http://www.avsforum.com/avs-vb/showthread.php?t=681125

28/03/62

6

27/03/2019 NAC2019 11

OLED

substrate

Anode

Organic light emitter

Cathode

Energy level diagram of the ITO/PEDOT:PSS/M101A/Ca devices.

27/03/2019 NAC2019 12

M101

Packing diagram of M101 projected down the c axis showing hydrogen bonds as dashed lines.

Packing diagram of M101 projected down the b axis showing hydrogen bonds as dashed lines.

S. Sahasithiwat, T. Sooksimuang, S. Kamtonwong, W. Panchan, and L. Kangkaew, Acta Cryst. 2014, E70, o837.

Dihedral angle of ring A-E 49.64o

H1-H1i distance 2.945 Å

28/03/62

7

27/03/2019 NAC2019 13

HOMO -5.8 eVLUMO -2.9 eVEg 2.9 eVFf 0.96tf 7.35 ns (Spectrofluorometer equipped with time-correlated single photon counting (TCSPC))

Sahasithiwat S, Sooksimuang T, Kangkaew L, and Panchan W, Dyes and Pigments 136 (2017) 754-760.

27/03/2019 NAC2019 14

Blue OLED

28/03/62

8

27/03/2019 NAC2019 15

White OLED

27/03/2019 NAC2019 16

438 479 558

tf of NPB film 1.94 nstf of DTDH film 9.06 nstf of mix film 131.82 ns

28/03/62

9

27/03/2019 NAC2019 17

400 450 500 550 600 650 700 7500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 M310

M101

M118

M201

M122

M111

M337

M337A

Flu

ore

sce

nce

In

ten

sity

(A

.U.)

Wavelength (nm)

M337

M201

CIE from OLEDs using [5]Helicene dev. as an emitter

M310

Photoluminescent Spectrumfrom [5]helicene dev.

M337A

27/03/2019 NAC2019 18

OFET

Top-contact, Bottom-gate

(ISD)lin = (W/L)Ci(VSG-VT)VSD

(ISD)sat = (W/2L)Ci(VSG-VT)2

transfer characteristic

output characteristic

For p type semiconductor:VGS<0 create holes at bottom surface of orgVDS<0 force hole to move

VGS

28/03/62

10

27/03/2019 NAC2019 19

OFET : M337A

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Tanneal

(oC)

150 No

glass slide/OTS, Tsub

= 150 0C

Inte

nsi

ty

2(degree)

(020)4.6

(040)9.2

(060)13.8

Orthorhombica = 4.4252 Åb = 38.4305 Åc = 18.5176 Å

27/03/2019 NAC2019 20

transfer characteristic output characteristic

28/03/62

11

27/03/2019 NAC2019 21

27/03/2019 NAC2019 22

28/03/62

12

27/03/2019 NAC2019 23

27/03/2019 NAC2019 24

28/03/62

13

19/12/2018 ICAPPP2018 25

M101A

M101

Eg

(eV)HOMO

(eV)LUMO

(eV)Ff tf

(ns)Tm

(oC)Tg

(oC)

3.19 - - 0.47 - 234 99

2.71 5.9 3.3 0.27 5.20 289 -

2.91 5.8 2.9 0.96 7.46 265 100

2.66 5.8 3.2 0.49 14.07 285 105

2.16 6.0 3.7 0.61 - 239 113

2.08 - - - - - -

M201

M337

M310

M337A

16/12/57 ICAPPP2018 26

Vgs = (2/3)Vds + Vth

Vgs = -(1/3)Vds + Vth

Ion

Ioff