Laser Induced Forward Transfer of Stacked layers for Organic Light Emitting Diodes

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την παρασκευή οργανικών φωτοδιόδων (Organic Light Emitting Diodes) με την χρήση της τεχνικής Laser Induced Forward Transfer Technique (LIFT). Η εν λόγω εργασία έγινε στα πλαίσια της ολοκλήρωσης του μεταπτυχιακού διπλώματος Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Αθηνών. Μελετήθηκε η δυνατότητα εκτύπωσης λεπτών υμενίων (100nm/tris(8-hydroxyquinoline)aluminum/Alq3) οργανικών μέταλλο-πολυμερικών συμπλεγμάτων όπως και πολυμερών με την χρήση ενός Nd:YΑG picosecond-laser και ενός nanosecond excimer laser σε αδρανές περιβάλλον και σε περιβάλλον ατμοσφαιρικών συνθηκών. Διάφορες παραλλαγές της τεχνικής LIFT εφαρμόστηκαν και ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην τεχνική Dynamic Release Layer LIFT. Το πολυμερές της τριαζήνης χρησιμοποιήθηκε ως το ενδιάμεσο προς αποδόμηση στρώμα για την συγκεκριμένη τεχνική. Όλες οι προηγούμενες απόπειρες εκτύπωσης οργανικών φωτοδιόδων χρησιμοποιούν ένα μεταλλικό υποστηρικτικό στρώμα. Αντιθέτως στη παρούσα εργασία επιχειρείτε η άμεση εκτύπωση καθαρού ενεργού υλικού χωρίς την χρήση του επιπλέον μεταλλικού υμενίου. Στόχος είναι, η παρασκευή πολύ-στρωματικών συσκευών με διαδοχική χρήση της τεχνικής LIFT. Μερικές παραλλαγές βασιζόμενες στη εκτύπωση με χρήση laser εφαρμόστηκαν, χρησιμοποιώντας διαφορετική αρχιτεκτονική δομή του δότη σε κάθε περίπτωση. Επιτεύχθηκε η κατασκευή pixel με διάμετρο από 30μm μέχρι 70μm και με μέγιστη ανάλυση μικρότερη από 20μm. Ύστερα από μετρήσεις της φωταύγειας του μέσου παρατηρήθηκε μικρή μείωση στις επιθυμητές ακτινοβολιτικές του ιδιότητες. Στα πρώτα δύο κεφάλαια του κειμένου γίνετε μία σύντομη περιγραφή του απαιτούμενου θεωρητικού υποβάθρου και της βασικής αρχής της τεχνικής LIFT. Στη συνέχεια γίνεται μία ανασκόπηση των διαφορετικών παραλλαγών της τεχνικής LIFT που συναντώνται στην βιβλιογραφία και μία αναλυτική ανασκόπηση των εφαρμογών τους για την παρασκευή OLEDs όπως και των περιορισμών που συναντώνται σε αυτές. Επίσης αναφέρονται τα διάφορα ήδη οργανικών ημιαγωγών εκπομπής φωτός που σχετίζονται με την αντίστοιχη τεχνολογία . Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Το βασικό εργαστήριο στο οποίο δούλεψα ήταν εξοπλισμένο με ένα Nd:YAG picosecond-laser ενώ μερικά πειράματα έγιναν με την χρήση ενός nanosecond excimer laser. Επίσης στο παρών κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία προετοιμασίας των δοτών όπως και του θαλάμου ελεγχόμενων συνθηκών που συναρμολογήθηκε για της ανάγκες της συγκεκριμένης μελέτης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σχετικά πειράματα με την ανάπτυξη των υμενίων της τριαζήνης, του Alq3, και του πολυμερούς Super Yellow, όπως επίσης και ο υπολογισμός της ελάχιστης απαιτούμενης ενέργειας για την πλήρη αποδόμηση του υμενίου της τριαζήνης σε όλο το πάχος του με την χρήση του picosecond-laser στα 355nm. Στο κεφάλαιο πέντε, παρουσιάζω την εφαρμογή της τεχνικής LIFT στην εναπόθεση Alq3. Μελετήθηκε η επίδραση του πάχους της τριαζήνης και της απόστασης μεταξύ δότη και αποδέκτη και βελτιστοποιήθηκαν οι παραπάνω παράμετροι. Επίσης παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ύστερα από τον χαρακτηρισμό των κατασκευασμένων pixel μέσω ατομικής μικροσκοπίας, οπτικής μικροσκοπίας και φασματοσκοπικές μετρήσεις. Στη συνέχεια κάποιες απόπειρες εξομάλυνσης των μορφολογικών ανωμαλιών στην επιφάνεια των pixel παρουσιάζονται στο ίδιο κεφάλαιο. Στο κεφάλαιο έξι καταγράφονται κάποιες διαφορετικές προσεγγίσεις της τεχνικής που περιλαμβάνουν κυρίως διαφορετική αρχιτεκτονική δομή του δότη. Επίσης διαφορετικό ενεργό υλικό χρησιμοποιείτε προς εκτύπωση σε ένα μέρος των πειραμάτων. Στο κεφάλαιο εφτά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα τα οποία συνοπτικά αναφέρονται παρακάτω: • Το παραγόμενο ωστικό κύμα επηρεάζει σημαντικά την μορφολογία των pixel. • Το ωστικό κύμα μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας την απόσταση μεταξύ δότη-αποδέκτη, την ατμοσφαιρική πίεση ή και τα δύο. • Αλλάζοντας την εστίαση της δέσμη laser μπορούμε να ελέγξουμε το μέγεθος των pixel. • Το κατώφλι αποδόμησης, για την τριαζήνη με το picosecond-laser στα 355nm για πάχος τριαζήνης στα 100nm, 240nm, και 300nm είναι αντίστοιχα 11,2mJ/cm2, 11,8mJ/cm2 και 12,7mJ/cm2. • Με την τεχνική Dynamic Release Layer-LIFT pixel μεγέθους από 20μm μέχρι 80μm μπορούν να κατασκευαστούν με το παρόν σύστημα. • Όταν η διάμετρος των pixel μεγαλώνει, μεγαλύτερες μορφολογικές ανωμαλίες παρατηρούνται. • Μετά από φασματοσκοπικές μετρήσεις των pixel από Alq3 παρατηρείται ότι οι ιδιότητες του υλικού παραμένουν σχεδόν ανεπηρέαστες. • Το υλικό από την IMEC είναι πολύ ευαίσθητο και μετά από την διαδικασία LIFT υποβαθμίζεται πλήρως. • Το διάλυμα των Alq3 στο χλωροφόρμιο δεν μπορεί να εναποτεθεί με τη μέθοδο του spin coating χωρίς να προκαλέσει αποκλίσεις στο πάχος της τριαζήνης. • Στην περίπτωση που ο χαλκός χρησιμοποιείται σαν το στρώμα απορρόφησης φωτός και μετατροπής του σε θερμότητα για την θερμό-αποδόμηση της τριαζήνης το συνολικό σχεδόν στρώμα της τριαζήνης εκτυπώνεται μαζί με τα στρώμα των Alq3. • Τα Alq3 pixels μετά από ανόπτηση παρουσία ατμών μεθανόλης διογκώνοντας βελτιώνοντας σημαντικά της μορφολογικές ατέλειες τους. Στο ίδιο κεφάλαιο προτείνω σχετικές μελλοντικές προοπτικές όσον αφορά στην παραπάνω εργασία. Το παρακάτω κείμενο είναι γραμμένο στην Αγγλική στα πλαίσια της εκπόνησης της εργασίας στο Holst Center στο Eindhoven της Ολλανδίας. Για την διευκόλυνση του ελληνικού αναγνωστικού κοινού μία σύντομη περίληψη του παρακάτω κειμένου στα Ελληνικά γίνεται στο κεφάλαιο οχτώ.

This thesis concerns the fabrication of Organic Light Emitting Diodes by using the Laser Induced Forward Transfer Technique (LIFT). This study is part of my Master’s Degree in National Technical University of Athens (NTUA) and the purpose of this thesis is to investigate further the potentiality of LIFT technique for the fabrication of multilayer OLEDs . In this study, we demonstrated the feasibility of direct dry patterning of thin layer’s (100 nm) of tris(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) organic (luminophores) small molecules by Nd:YAG picosecond-laser and by a nanosecond Excimer laser at ambient and vacuum conditions. Triazene polymer was utilized as a dynamic release layer to transfer the small molecules. All the previous laser pulse deposition attempts of small molecules utilized metal shield’s to support transfer. On contrary, we directly transferred the small molecules which opens up the possibility of a potential technique for a full colour OLED by sequential steps. Some varied laser based transfer processes has been performed by using varied architectures on the donor preparation. Feature size down to 50μm and patterns with high resolution up to 20μm between the pixels was achieved by this technique. The fluorescence measurements of small molecules before and after laser transfer collaborated that there is no material modification. This thesis is divided into different chapters. In the first two chapters, a brief discussion about the theoretical background and also the basic principal of the LIFT technique is explained. An overview of various Laser material transfer approaches are described in this section. In addition, I present a detailed literature review on the OLEDs patterning by LIFT technique. Furthermore, the basic working principle of Organic Light Emitting Diodes (OLEDs), different types of organic light emitting materials, their limitations, and various fabrication approaches are detailed in chapter two. In the Chapter 3, we present the tools that have been utilized to perform the LIFT experiments. The basic tool was the Pico-laser Nd:YAG system. Some experiments were also performed with a nanosecond excimer laser. The environmental chamber, built in order to provide vacuum or nitrogen condition during LIFT is also discussed in this section. Also, the process for the preparation of the donors for the LIFT process is described here. In the Chapter 4 are presented the background experiments, about the spin coating of Alq3, triazene and Super Yellow, as also the calculation of the ablation threshold of Triazene In Chapter 5, I present the extensive study of the LIFT process for the deposition of small molecules. We studied the influence of the triazene thickness, the influence of the gap and we optimize those two parameters. In the same chapter are presented the results from the characterisation of the fabricated pixels, be atomic force microscopy and by photoluminescence measurements as well. Finally, it is also mentioned one attempt of healing the pixel’s surface by exposing them in methanol vapours.The biggest part of the experiments done by using the Dynamic Release Layer LIFT technique. The as transferred layer was a layer from Alq3 which is an organic light emitting material. In Chapter 6 some additional LIFT experiments, which include different sacrificial layer approach and donor material (polymer) was tested. More detailed, it has been checked the Hydrogen Assisted –LIFT and the Light Induced Forward Transfer on a Super Yellow layer and also, the Light Induced Thermal Imaging process on a Alq3 layer by using a copper layer as a light to heat conversion layer. The conclusions (Chapter 7) are: • The shock wave can cause serious damage on the fabricated pixels • The shock wave can be controlled by changing the gap or the environmental conditions. • Getting out of focus on the picosecond laser system, bigger pixels can be patterned. • The ablation threshold for the picosecond laser system (wavelength=355nm) for a bilayer of triazene layer with 100nm, 240nm and 300nm thickness and a 100nm layer of Alq3 above, is 11,2mJ/cm2, 11,8mJ/cm2and 12,7mJ/cm2 respectively. • By the Dynamic Release Layer-LIFT technique pixels from 20μm to 80μm were demonstrated. • The photoluminescence properties of Alq3 small molecules remain almost unaltered after the LIFT process with the Dynamic Release Layer-LIFT technique. • The IMEC’s Light Emitting Layer is very sensitive to the ambient environment and in combination with the transfer process we are using, the emitting layer is totally degraded after the transferring. • The solution of Chloroform/ Alq3 dissolve the triazene layer making unaccepted the spin coating method for the deposition of Alq3 above a triazene layer. • Triazene layer transfers with the Alq3 in the case where an interlayer of copper is used as Light to Heat Conversion Layer • When the patterns getting bigger the quality of the pixels getting worse. • Alq3 pixels can be healed by methanol vapors but after the process they suffer from degradation. Finally in Chapter 7, I am proposing some paths, and some ideas how this study can be improved.