Tuning molecular orientation of organic vapor deposited glasses: Ad hoc molecular design and electric field approach

Abstract

La manipulació de l'orientació molecular és un dels objectius de l'electrònica orgànica, ja que pot afectar paràmetres rellevants com els nivells d'energia, el transport d'electrons, la recombinació d'excitons o l'emissió de llum. L'evaporació física de vapor ofereix el poder controlar l'orientació molecular en canviar la temperatura de deposició o el ritme de deposició. No obstant això, les condicions de deposició estan fortament lligades a altres propietats del vidre, com la densitat i l'estabilitat tèrmica. Les condicions de deposició que produeixen una orientació òptima poden resultar en vidres de baixa densitat i poca estabilitat, cosa que és perjudicial per al rendiment del dispositiu. Aquest treball investiga la possibilitat de manipular l'orientació molecular de vidres dipositats per vapor aplicant camps elèctrics externs durant el procés de deposició. L'objectiu és alinear el moment dipolar elèctric permanent de les molècules amb les línies del camp elèctric. Es consideren tres molècules diferents de semiconductors orgànics com a formadores de vidre: TPD i dos derivats bromats de TPD: TPD-Br1 i TPD-Br2. Aquestes dues últimes molècules van ser creades i sintetitzades específicament per a aquest estudi amb el propòsit d'augmentar l'efecte del camp elèctric, ja que posseeixen moments dipolars intrínsecs més grans.

Mitjançant la deposició física de vapor es van preparar vidres al laboratori a diverses temperatures de deposició, tant sense com amb la presència d'un camp elèctric en el pla d'intensitat 10^{5-6} V/m. Per estudiar l'efecte del camp elèctric sobre les propietats dels vidres, es van emprar diferents tècniques experimentals: fast-scanning nanocalorimetry, espectroscòpia ultraviolada-visible i transistors orgànics d'efecte de camp. Les propietats mesurades amb aquestes tècniques (estabilitat, anisotropia i mobilitat de càrrega) es van observar dependents de la temperatura de deposició. No obstant això, la magnitud del camp elèctric no va poder afectar les propietats dels vidres.

Per accedir al comportament de cada molècula individual del vidre, així com per poder aplicar camps elèctrics inviables al laboratori, es van simular vidres dipositats per vapor utilitzant dinàmica molecular. Aquestes simulacions van demostrar que es necessiten camps elèctrics més alts (de l'ordre de 10^9 V/m) per afectar l'orientació molecular de les pel·lícules primes. Els resultats demostren que el camp elèctric modifica efectivament l'orientació del vidre sense modificar-ne la densitat, obrint una possible ruta per manipular les propietats del vidre i el rendiment del dispositiu a voluntat.

Aquest treball contribueix al coneixement existent sobre vidres dipositats per vapor proporcionant noves perspectives sobre com la seva anisotropia pot ser modificada per un agent extern (un camp elèctric durant la deposició) que no compromet altres propietats del vidre.

La manipulación de la orientación molecular es uno de los objetivos de la electrónica orgánica, ya que puede afectar a parámetros relevantes como los niveles de energía, el transporte de electrones, la recombinación de excitones o la emisión de luz. La evaporación física de vapor ofrece el poder controlar la orientación molecular al cambiar la temperatura de deposición o el ritmo de deposición. Sin embargo, las condiciones de deposición están fuertemente ligadas a otras propiedades del vidrio, como la densidad y la estabilidad térmica. Las condiciones de deposición que producen una orientación óptima pueden resultar en vidrios de baja densidad y poca estabilidad, lo cual es perjudicial para el rendimiento del dispositivo. Este trabajo investiga la posibilidad de manipular la orientación molecular de vidrios depositados por vapor aplicando campos eléctricos externos durante el proceso de deposición. El objetivo es alinear el momento dipolar eléctrico permanente de las moléculas con las líneas del campo eléctrico. Se consideran tres moléculas distintas de semiconductores orgánicos como formadoras de vidrio: TPD y dos derivados bromados de TPD: TPD-Br1 y TPD-Br2. Estas dos últimas moléculas fueron creadas y sintetizadas específicamente para este estudio con el propósito de aumentar el efecto del campo eléctrico, ya que poseen momentos dipolares intrínsecos más grandes.

Mediante la deposición física de vapor se prepararon vidrios en el laboratorio a varias temperaturas de deposición, tanto sin y con la presencia de un campo eléctrico en el plano de intensidad 10^{5-6} V/m. Para estudiar el efecto del campo eléctrico sobre las propiedades de los vidrios, se emplearon diferentes técnicas experimentales: fast-scanning nanocalorimetry, espectroscopía ultravioleta-visible y transistores orgánicos de efecto de campo. Las propiedades medidas con estas técnicas (estabilidad, anisotropía y movilidad de carga) se observaron dependientes de la temperatura de deposición. Sin embargo, la magnitud del campo eléctrico no pudo afectar las propiedades de los vidrios.

Para acceder al comportamiento de cada molécula individual del vidrio, así como para poder aplicar campos eléctricos inviables en el laboratorio, se simularon vidrios depositados por vapor utilizando dinámica molecular. Estas simulaciones demostraron que se necesitan campos eléctricos más altos (del orden de 10^9 V/m) para afectar la orientación molecular de las películas delgadas. Los resultados demuestran que el campo eléctrico modifica efectivamente la orientación del vidrio sin modificar su densidad, abriendo una posible ruta para manipular las propiedades del vidrio y el rendimiento del dispositivo a voluntad.

Este trabajo contribuye al conocimiento existente sobre vidrios depositados por vapor proporcionando nuevas perspectivas sobre cómo su anisotropía puede ser modificada por un agente externo (un campo eléctrico durante la deposición) que no compromete otras propiedades del vidrio.

The manipulation of molecular orientation is a well established target in organic electronics and energy-harvesting applications since it may affect relevant parameters such as energy levels, electron transport, exciton recombination or light outcoupling. Thermal evaporation offers control of the molecular orientation by changing the deposition temperature or the deposition rate. However, the deposition conditions are strongly linked to other properties of the glass such as density and thermal stability. The deposition conditions that yield optimal orientation may result in poorly stable and low-density glasses, detrimental for device performance. This work investigates the possibility of manipulating the molecular orientation of physical vapor-deposited glasses by applying external electric fields during the vapor deposition process. The goal is to align the permanent electric dipole moment of the molecules with the electric field lines. Three distinct organic semiconductor molecules are considered as glass formers: TPD and two brominated TPD derivatives: TPD-Br1 and TPD-Br2. The last two molecules were purposely created and synthesised for this study with the aim to increase the effect of the electric field, as they possess larger intrinsic dipole moments.

Physical vapor-deposited glasses were prepared in the laboratory at various deposition temperatures, both with and without the presence of an in-plane electric field in the range of 10^{5-6} V/m. To study the effect of the electric field on the properties of the glasses, different experimental techniques were employed: fast scanning quasi-adiabatic nanocalorimetry, ultraviolet-visible spectroscopy, and organic field-effect transistors. The properties measured with these techniques (stability, anisotropy, and charge mobility) were observed to depend on the deposition temperature. However, the magnitude of the electric field was unable to affect the properties of the glasses.

To gain access to the behaviour of each single molecule of the glass, as well as being able to apply electric fields that are unfeasible in the laboratory, vapor deposited glasses were simulated in the molecular dynamics approach. These simulations demonstrated that higher electric fields (in the order of 10^9 V/m), are needed to affect the molecular orientation of the thin films. The results demonstrate that the electric field effectively modifies the orientation of the glass without modifying its density, opening a possible route to manipulate glass properties and device performance at will.

This work contributes to the existing knowledge of vapor deposited glasses by providing new insights on how their anisotropy can be modified by an external agent (an electric field during deposition) that does not compromise other properties of the glass.