Multifunctional organic semiconductors as active materials for electronic and opto-electronic devices

Since the first discovery of the photoelectric effect in anthracene, organic compounds have been studied as multi-functional materials because of their capability of showing a variety of properties such as charge transport, light absorption/emission, photoconductivity, electroluminescence and superconductivity. The work presented in this Ph.D. thesis aims at studying different classes of ?-conjugated organic materials that present functional properties suitable for the realization of opto-electronic devices. In particular we focus our attention on the two specific properties that are deeply correlated to the molecular arrangement in the realization of nano-scale multifunctional devices: charge transport and light emission. In the technologically appealing thin-films, the molecular arrangement is extremely sensitive to the deposition procedures and to the nature of the substrate. Thus, of great interest is the understanding at the micro- and nano-scale of the molecular architecture and morphological features which favour charge transport and/or energy transfer, in order to enhance performances of opto-electronic devices based on thin films. We show that in general linear ?-oligothiophenes can organize advantageously in thin-films in so as to guarantee the proper overlap between molecular orbitals which enables efficient field-effect charge transport. Introducing a new class of branched oligothiophenes (namely spider-like oligothiophenes) we aim at studying how complex 3D molecular architecture can affect optical emission, supermolecular organization and charge transport properties. Investigation on the enhancement of light emission efficiency of organic molecular systems is then carried out presenting a new host-guest lasing system obtained by co-evaporation of an oligo(9,9-diarylfluorene) derivative (T3, donor) with a well-known red-emitter dye (DCM, acceptor). In this binary blend, an efficient Förster energy transfer takes place from the T3 matrix to the dye molecules when the dye concentration is properly optimized. Moreover the mirrorless lasing measurements reveal that amplified spontaneous emission threshold of the 2% DCM:T3 sample is almost an order of magnitude lower than the 2% DCM:Alq3 model system measured in the same experimental conditions. The possibility of combining different functionalities in a single device is of great relevance for the further development of organic electronics in integrated components and circuitry. Organic light-emitting transistors (OLETs) have been demonstrated to be able to combine in a single device the electrical switching functionality of a field-effect transistor and the capability of light generation. When organic materials are implemented as active layers in device realization, interfaces formed by different materials are intrinsically important. The comprehension of the physics behind each interface is a crucial point to design new materials for device applications or to improve the performances of the existing ones Here we present a new approach for realizing ambipolar light-emitting transistor. In the heterostructure we propose the first layer and third layers are optimized for field-effect charge (electrons and holes) transport. The second layer is formed by a host-guest matrix with high optical performance and showing amplified spontaneous emission under optical pumping. The specificity of the presented tri-layer based OLET is the intrinsic separation of the charge transport region from the exciton formation region thus preventing completely the exciton-carrier quenching. The optimization of the charge transport and light emission properties allows the realization of a tri-layer heterojunction presenting balanced electron and hole mobility (~10-1-10-2 cm2/Vs), high charge carrier density in correspondence of the maximum electroluminescence emission (~ 1 KA/cm2) and intense light generation.

Fin dalla scoperta dell’effetto fotoelettrico nell’antracene, i composti organici sono stati studiati come materiali multifunzionali data la loro capacità di mostrare una varietà di proprietà differenti, come il trasporto di carica, emissione/assorbimento di luce, fotoconduttività, elettroluminescenza e superconduttività. Il lavoro presentato in questa tesi di dottorato si prefigge lo scopo di studiare differenti classi di materiali organici ? coniugati che presentino le proprietà funzionali adatte per la realizzazione di dispositivi optoelettronici. In particolare viene prestata particolare attenzione allo studio di due specifiche proprietà che sono profondamente connesse con l’organizzazione molecolare nei dispositivi multifunzionali con dimensioni nanometriche: il trasporto di carica e l’emissione di luce. Nei film sottili, univocamente considerati interessanti dal punto di vista tecnologico, l’organizzazione molecolare è fortemente dipendente dai processi di deposizione e dalla natura del substrato. Per aumentare le prestazioni dei dispositivi basati sui film sottili risulta fondamentale comprendere le strutture supermolecolari e le caratteristiche morfologiche su scala micro- e nanometrica che possono favorire il trasporto di carica e/o i processi di trasferimento di energia. Si dimostra che in generale gli oligotiofeni lineari depositati in film sottile possano organizzarsi vantaggiosamente in modo da garantire l’opportuna sovrapposizione tra gli orbitali molecolari che permette un efficiente trasporto di carica. Introducendo una nuova classe di oligotiofeni ramificati, denominati spider-like, ci proponiamo di studiare come una complessa architettura 3D possa modificare le proprietà di emissione, di organizzazione supermolecolare e di trasporto. Si procede quindi ad indagare la possibilità di aumentare l’efficienza di emissione di luce di sistemi organici molecolari mediante l’introduzione di un nuovo sistema host-guest con proprietà di lasing ottenuto sublimando un derivato diarilfluorenico (T3, donore) con una noto colorante emettitore nel rosso (DCM, accettare). In questa soluzione solida binaria, si verifica un efficiente trasferimento di energia alla Förster tra la matrice di T3 e le molecole di colorante quando la concentrazione di colorante viene opportunamente ottimizzata. Inoltre, la soglia di emissione spontanea amplificata del campione avente le molecole di DCM disperse al 2% in peso nel T3 risulta quasi un ordine di grandezza più bassa rispetto a quella del campione modello misurato nelle stesse condizioni sperimentali avente la stessa concentrazione in peso si molecole di DCM disperse in una matrice di Alq3. La possibilità di combinare diverse proprietà funzionali in un unico dispositivo risulta di notevole interesse per un ulteriore sviluppo dell’elettronica organica nei componenti integrati e nei circuiti. Si è dimostrato che i transistor organici ad emissione di luce sono capaci di combinare in un singolo dispositivo le proprietà di switch dei transistor ad effetto di campo con la capacità di generare luce. Quando i materiali organici vengono utilizzati come strati attivi nei dispositivi, le interfacce formate dai diversi materiali assumono un ruolo di primaria importanza. La comprensione dei processi fisici che avvengono ad ogni interfaccia è cruciale per disegnare nuovi materiali per dispositivi o per aumentare le prestazioni quelli già esistenti. In questo lavoro di tesi viene presentato un nuovo approccio per realizzare transistor ambipolari ad emissione di luce. Nell’eterogiunzione che viene proposta il primo e il terzo strato sono dedicati al trasporto di portatori di carica (elettroni e lacune) per effetto di campo mentre il secondo strato è formato da una soluzione solida host-guest che mostra efficiente emissione di luce ed emissione spontanea di luce se pompata otticamente. La specificità dell’approccio che presentiamo è che le regioni di trasporto di carica sono fisicamente separate da quella in cui avviene la formazione dell’eccitone. In questo modo viene ridotta completamente l’interazione tra l’eccitone e il portatore di carica. Dopo aver ottimizzato il trasporto di carica e le proprietà di emissione di luce, si è potuto realizzare un dispositivo basato sull’eterogiunzione a tre strati che presenta valori di mobilità per gli elettroni e le lacune bilanciati (~10-1-10-2 cm2/Vs), alta densità di portatori di carica in corrispondenza del massimo di elettroluminescenza (~ 1 KA/cm2) e intensa emissione di luce.