Vật liệu phân tử nhỏ

Điốt phát quang hữu cơ hiệu suất cao sử dụng phân tử nhỏ được chế tạo lần đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Đặng Thanh Vân (鄧青雲, Ching W. Tang)[20] tại Eastman Kodak. Thuật ngữ "điốt phát quang hữu cơ" trước đây thường ám chỉ loại điốt dùng vật liệu này, mặc dù một thuật ngữ dành riêng cho nó là "điốt phát quang hữu cơ phân tử nhỏ" (SM-OLED) cũng được sử dụng.

Vật liệu "phân tử nhỏ" bao gồm các loại vật liệu tạo phức (chelate) hữu cơ-kim loại (ví dụ như Alq3, vật liệu dùng bởi nhóm của Đặng Thanh Vân), thuốc nhuộm huỳnh quang và lân quang, và đenđrime kết hợp. Một số loại vật liệu được ưa dùng do tính năng vận chuyển điện tích tỉ như triphenylamin và các dẫn xuất của nó, đã được sử dụng để chế tạo các lớp hữu cơ vận chuyển lỗ trống.[33] Thuốc nhuộm huỳnh quang đôi khi được chọn vì nó có thể phát xạ nhiều loại tia có các bước sóng khác nhau, và các hợp chất như perylen, rubren và dẫn xuất của quinacridon cũng hay được dùng.[34] Alq3 lâu nay được dùng như là vật liệu phát ánh sáng xanh lục, vật liệu tải điện tử và giá thể cho các thuốc nhuộm phát quang vàng và đỏ.

Việc sản xuất màng hữu cơ dành cho điốt phát quang sử dụng nguyên liệu "phân tử nhỏ" thường được tiến hành theo phương pháp ngưng đọng từ hơi trong môi trường chân không. Phương pháp này khá tốn kém và hầu như không được sử dụng chế tạo các thiết bị có bề mặt lớn. Tuy nhiên, so với việc sản xuất màng hữu cơ từ polyme, sản xuất bằng phương pháp bay hơi giúp người ta có thể kiểm soát tốt và đảm bảo tính đồng nhất cao về mặt kết cấu của sản phẩm, và có thể chế tạo ra các màng hữu cơ nhiều lớp có cấu trúc rất phức tạp. Độ linh hoạt cao trong thiết kế các lớp vật liệu hữu cơ và khả năng chế tạo ra các lớp vật liệu có tính năng dẫn điện/cách điện đặc thù giúp cho các điốt phát quang hữu co "phân tử nhỏ" có hiệu suất rất cao.

Các thực nghiệm đã cho thấy thiết bị kết hợp nhuộm màu laser SM-OLED được kích thích trong chế độ xung có thể phát ra bức xạ kết hợp.[35] Bức xạ phát ra gần như là bị nhiễu xạ, giới hạn trong một phổ có biên độ gần giống như phổ của lade hóa màu dải tần rộng.[36]

Các nghiên cứu cũng cho thấy hiện tượng phát sáng từ một phân tử polyme đơn, phân tử này có thể được xem như là một điốt phát quang hữu cơ có kích thước nhỏ nhất mà người ta từng tạo ra được.[37] Trong tương lai, người ta có thể tối ưu hóa các chất liệu chế tạo điốt để sản xuất ra các thiết bị phát sáng mạnh hơn nữa, và kết quả nghiên cứu này được cho là bước đầu tiên trong quá trình phát triển các thiết bị kích cỡ nguyên tử có khả năng kết hơp các đặc tính điện tử và quang học - những thiết bị tương tự như thế này có thể trở thành nền tảng của một máy vi tính kích cỡ phân tử.[38]

Vật liệu polyme

Điốt phát quang polyme (PLED) hay còn gọi là polyme phát quang (LEP), có cấu tạo bao hàm một lớp polyme dẫn điện có khả năng điện phát quang, lớp này sẽ phát sáng khi kết nối với một điện thế bên ngoài. Các điốt polyme được sử dụng như những lớp màng mỏng dùng cho các màn hình màu phổ đầy đủ (full spectrum). Điốt polyme có hiệu năng khá cao và tiêu tốn tương đối ít năng lượng cho quá trình phát sáng.

Phương pháp bay hơi và ngưng tụ vật liệu trong chân không được cho là không thích hợp để sản xuất các màng polyme mỏng. Tuy nhiên, việc sản xuất những màng polyme này từ nguyên liệu gốc dạng dung dịch là hoàn toản khả thi, thí dụ như phương pháp sơn phủ ly tâm (spin coating) được dùng khá rộng rãi trong việc chế tạo các màng polyme mỏng, và nó tỏ ra thích hợp hơn phương pháp bay hơi/ngưng tụ khi sản xuất các màng có diện tích bề mặt lớn. Việc sơn phủ li tâm không cần môi trường chân không, và các vật liệu phát xạ có thể được phủ lên giá thể bằng các phương pháp giống như việc in phun.[39][40] Tuy nhiên, việc phủ các lớp vật liệu chồng đè lên lớp vật liệu cũ có thể khiến các lớp hoàn lẫn với nhau, vì vậy sản xuất các màng nhiều lớp bằng sơn phủ ly tâm nhìn chung tương đối khó khăn. Việc chế tạo catốt bằng kim loại có lẽ vẫn phải sử dụng phương pháp bay hơi trong chân không. Tuy nhiên người ta có thể sử dụng phương pháp ngưng tụ màng Langmuir-Blodgett để thay thế cho ngưng tụ chân không.

Các điốt phát quang polyme thường dùng những vật liệu tỉ như dẫn xuất của poli(p-phenylen vinylen) và polifluoren. Việc thay thế các nhánh trên mạch polyme chính có thể làm thay đổi màu sắc mà vật liệu phát ra[41] hay độ ổn định và độ tan của vật liệu polyme, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và khả năng chế tạo sản phẩm.[42] Trong khi poli(p-phenylen vinylen) (PPV) nguyên mẫu thường không tan, một số dẫn xuất của nó hoặc các loại poli(naphthalen vinylen) (PNVs) có khả năng tan trong các dung môi hữu cơ hay nước sẽ được dùng trong quá trình sản xuất và được chuẩn bị bằng phương pháp polyme hóa chuyển vị mở vòng.[43][44][45]

Vật liệu phát lân quang

Điốt phát lân quang hữu cơ sử dụng nguyên lý điện phát lân quang để chuyển hóa điện năng thành quang năng với hiệu suất cao,[47][48] một số điốt phát lân quang có nội hiệu suất quang đạt gần đến 100%.[49]

Thông thường, các loại polyme như poli(n-vinylcarbazole) thường được dùng làm chất nguồn để tạo ra các phức kim loại-hữu cơ có tác dụng phát lân quang. Các phức hữu cơ của iridi[48] tỉ như Ir(mppy)3[46], loại vật liệu hiện đang được tập trung nghiên cứu. Một số phức sử dụng kim loại nặng như bạch kim[47] cũng được sử dụng. Nguyên tử kim loại nặng nằm giữa kết cấu của phức thể hiện đặc tính bắt cặp spin-quỹ đạo rất mạnh, làm kích thích quá trình chuyển mức nội giữa trạng thái singlet và triplet. Như vậy, các vật liệu lân quan này sẽ làm cả exiton triplet lẫn singlet phân rã và phát xạ, từ đó gia tăng hiệu suất quang nội so với các điốt lân quan chỉ làm phân rã các exiton singlet.

Sử dụng các điốt phát quang thể bền vững yêu cầu nó phải đạt được độ sáng với tọa độ CIE tốt (dùng cho phát ra ánh sáng trắng). Khi dùng các gốc tự do đại phân tử tỉ POSS kết hợp với các gốc tự do phát lân quang như Ir, điốt phát quang có thể phát ra ánh sáng mức độ lên tới 10.000 cd/m2.[50]