DE102006035750A1 - Material zur Herstellung einer Funktionsschicht eines organischen elektronischen Bauelements - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material zur Herstellung einer Funktionsschicht eines organischen elektronischen Bauelements, insbesondere ein zur Verarbeitung durch Drucken geeignetes Material. In dem gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Material liegt ein Funktionsstoff in einer Polymermatrix z. B. gelöst oder suspendiert vor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Material zur Herstellung einer Funktionsschicht eines organischen elektronischen Bauelements, insbesondere ein zur Verarbeitung durch Drucken geeignetes Material.
  • Bekannt sind druckbare Materialien insbesondere für organische elektronische Bauelemente wie organische aktive Komponenten wie beispielsweise Dioden, Transistoren, Kondensatoren, selbstemittierende und/oder photovoltaische Bauelemente, Bauelemente basierend auf elektrochromen Schichten, und so weiter, die bevorzugt polymere Substanzen in Lösungsmittel umfassen. Durch die Lösung der Substanz im speziellen Lösungsmittel oder durch die Herstellung einer stabilen Suspension wird diese zu einer druckbaren Lösung bzw. Paste verarbeitet. Nach der Aufbringung muss das Lösungsmittel wieder entfernt werden. Diese Arbeitsschritte tragen nicht unerheblich zur gesamten Verteuerung der elektronischen organischen Bauelemente bei.
  • So können im Großen und Ganzen zwar billige organische elektronische Bauelemente hergestellt werden, jedoch sind die Materialien zur Herstellung der einzelnen leitenden, halbleitenden und isolierenden Funktionsschichten noch nicht vollständig im Hinblick auf Druckbarkeit oder einer anderen massenfertigungstauglichen Herstellungsmethode optimiert.
  • Insbesondere bei der Herstellung der oftmals metallischen leitfähigen Schichten muss noch auf aufwendige (also beispielsweise unter Inertgasatmosphäre stattfindende) Herstellungsverfahren wie Aufdampfen, Chemical Vapor Deposition und sonstige, nur unter Schutzgasatmosphäre ausführbare Methoden zurückgegriffen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Material oder eine Matrix für verschiedene Funktionsschichten organischer elektronischer Bauelemente zu schaffen, das in einfachen und daher kostengünstigen Arbeitsschritten verarbeitbar ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Material für eine Funktionsschicht eines organischen elektronischen Bauelements, wobei in einem Polymer als Matrix ein leitfähiger, halbleitender, photo- und/oder thermoaktiver, selbstemittierender, elektrochromer und/oder isolierender Stoff so gelöst oder enthalten ist, dass die funktionellen Eigenschaften des Funktionsstoffs in der Polymermatrix zumindest erhalten oder sogar durch die Eigenschaften der polymeren Matrix positiv verstärkt werden, während die Polymermatrix die einfache Verarbeitbarkeit und Stabilität des Funktionsstoffes bewirkt. Ebenso ist Gegenstand der Erfindung die Herstellung eines für ein organisches elektronisches Bauelement geeigneten Gels oder Sols, das in einer Polymermatrix den Funktionsstoff zur Bildung der funktionellen leitenden, halbleitenden, photoaktiven selbstemittierenden, elektrochromen und/oder isolierenden Schicht enthält.
  • Die Erfindung ermöglicht erstmals die kostengünstige Verarbeitung und/oder Auftragung ansonsten instabiler funktioneller Materialien für die organische Elektronik.
  • Das Polymer kann nur als Matrix dienen, also im Gesamtsystem inaktiv sein, oder aktiv die Funktionalität des Bauelements verbessern. Insofern ist das Polymer aktiv oder inaktiv am Gesamtsystem beteiligt, während es den Funktionsstoff stabilisiert.
  • Das Material liegt beispielsweise als Blend verschiedener gefüllter Polymermatrizen und/oder als eine Materialkombination oder -mischung vor.
  • Der Funktionsstoff ist im Material „enthalten", also beispielsweise suspendiert oder in Sol/Gelform stabilisiert, beispielsweise physikalisch und/oder chemisch stabilisiert, enthalten. Dabei kann es durchaus vorkommen, dass Lösungsmittelreste im Material enthalten sind, die im fertigen Bauteil, nach Herstellung der funktionellen Schicht nicht mehr nachweisbar sind.
  • Als „Material für die Funktionsschicht" wird die Kombination des polymeren Matrixmaterials mit dem enthaltenen Funktionsstoff bezeichnet, wobei das Material immer zumindest beides umfasst, aber beliebige weitere Stoffe, wie beispielsweise Additive zur besseren Verarbeitbarkeit, Katalysatoren, Farbpigmente, Leitfähigkeitspigmente etc. zugesetzt sein können.
  • Ein organisches elektronisches Bauelement kann ein organischer Feld-Effekt-Transistor, ein organisches Licht emittierendes Device, eine organische photovoltaisch aktive Zelle, eine organische elektrochrome Schicht, ein organischer Photodetektor oder ein beliebiges anderes elektronisches Bauteil das massenfertigungstauglich herstellbar ist, sein.
  • Dem Polymer, das gemäß der Erfindung als Matrixmaterial eingesetzt werden kann, sind grundsätzlich keine Grenzen gesetzt. Es kann sich um alle Arten polymerer Kunststoffe handeln, beispielsweise können alle bekannten halbleitenden polymere Kunststoffe wie Polymere auf der Basis von PEDOT/PSS oder PANI, Polythiophen, Polyfluoren, PPVs oder ähnlichem eingesetzt werden.
  • Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Systemen dient das Polymer hier nicht nur als Hilfe zur Verarbeitbarkeit und/oder zur Stabilisierung, sondern kann auch als Verstärkungsmaterial der funktionellen Eigenschaften der funktionellen Schicht beitragen. So kann beispielsweise bei der Herstellung einer selbst emittierenden Schicht eine Polymermatrix genommen werden, die lichtverstärkend wirkt, bei FETs oder generell allen leitenden Schichten kann die Polymermatrix eine Stabilisierung des Gesamtsystems bewirken.
  • Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Polymermatrix die Stabilisierung des Gesamtsystems und/oder eine zusätzliche Funktion (z.B. selbstemittierende FETs...) übernehmen.
  • Ebenso kann zur Herstellung einer leitfähigen Schicht, beispielsweise mit einem Metall als Funktionsstoff, eine leitfähige oder halbleitende Polymermatrix eingesetzt werden, wodurch die Leitfähigkeit des Materials verstärkt wird.
  • Nach der Erfindung werden Gele oder Sole, also stabile Suspensionen von Funktionsstoffen und/oder Nanopartikel der Funktionsstoffe mit speziellen funktionellen Eigenschaften geschaffen, die einfach und vorteilhafterweise unter Normalbedingungen verdruckt werden können.
  • Als Funktionsstoffe oder funktionelle Grundsubstanzen kommen alle Substanzen zur Herstellung organischer elektronischer Bauelemente in Frage. Insbesondere können auf die Art photochrome und/oder thermochrome Partikel oder Nanopartikel, sensible Metallpartikel oder Metalllegierungspartikel, Farbstoffpartikel, oder sonstige charge-transfer Partikel in Polymermatrizen eingearbeitet werden, die sonst nur in aufwendigen Abscheidungsprozessen verarbeitbar wären.
  • Als Funktionsstoffe kommen n-leitende Farbstoffe (Elektronenakzeptoren) beispielsweise in Kombination mit p-leitenden polymeren Trägermaterialien zur Anwendung, wie Übergangsmetallkomplexe beispielhaft genannt seien Ruthenium-Komplexe, Eisen-Komplexe und andere Komplexe wie AlQ3, Bor-Komplexe oder ähnliches).
  • Weitere Funktionsstoffe sind photochrome und thermochrome Pigmente. Außerdem finden als Funktionsstoffe Nanopartikel mit löslichkeitsvermittelnden Seitengruppen Verwendung wie z.B. Alkylgruppen, (z.B. Silber-Nanopartikel, Silizium-Nanopartikel, Gold-Nanopartikel, Zinkoxid, Gallium-Arsenid, Indiumphosphorverbindungen oder ähnliches), woraus beispielsweise Antennen gedruckt werden können.
  • Außerdem können als Funktionsstoffe niedermolekulare Zusatzstoffe zur Funktionsmodifikation oder Dotierung des polymeren Trägermaterials zugegeben werden. Beispiele dafür FeCl3, J2, PSS.
  • Es können beispielsweise auch anionische- und/oder Säurefarbstoffe (z.B. Indigocarmin, Fuchsin), Metallkomplexfarbstoffe wie organische Metallkomplexfarbstoffe (Kupfer-Komplexe, Chrom-Komplexe, Palladium-Komplexe, Cyano-Metall-Komplexe, generell Übergangsmetallkomplexe) und/oder anorganische Metallkomplexfarbstoffe (Cobaltpigmente, Chromkomplexe (Chromoxidgrün), Ägyptisch Blau, Eisenoxidpigmente, Indigo, Purpur, Zinnober....), Bor-Komplexe, Aluminium Komplexe, Lewis Säuren (z.B. FeCl3), Halogene (z.B. J2), Polystyrolsulfonsäure (PSS), Lewis-Basen, (z.B. Amine), Reduktionsmittel, Oxidationsmittel, Redoxsysteme oder Allotrope eingesetzt werden.
  • Außerdem können Nanopartikel mit Löslichkeitsvermittelnden Seitengruppen, wie z.B. Alkygruppen (z.B. Ag-Nanopartikel, Si-Nanopartikel, Au-Nanopartikel, Zinkoxid, GaAs, InP, Nanotubes (z.B. Carbonanotubes)...), z.B. als Elektroden- oder Antennenmaterialien, sowohl in gelöster als auch suspendierter Form eingesetzt werden. Die Veröffentlichung von Wessels et al in JACS, 2004, 126, 3349–3356 zeigt, dass Au-Nanopartikel in löslicher Form herstellbar sind und somit in einer Polymermatrix verdruckt werden können.
  • Nach der Erfindung entstehen Materialien mit denen durch einfache Druckverfahren in kostengünstigen Rolle-zu-Rolle Druckprozessen und/oder durch Spincoaten dünnste Funktionsschichten für elektronische organische Bauelemente beispielweise in einer Dicke von 10 bis 500 nm (nm- bis μm-Bereich möglich) hergestellt werden. Zum Beispiel werden bei der Verarbeitung von Goldnanopartikeln (~4nm) in Lösung in Polythiophen als polymerer Matrix Schichtdicken von 10–300 nm erreicht (Resultate in PFET siehe Anwendungsbeispiel).
  • N-Leitende Farbstoffe (Elektronenakzeptoren) können in Kombination mit p-leitenden polymeren Trägermaterialien in Farbstoff-/Grätzel-Solarzellen (z.B. Ru-Komplexe, Fe-Komplexe, evtl. AlQ3, Bor-Komplexe...) zur Anwendung kommen.
  • Photochrome und thermochrome Pigmente wie z.B. Leucofarbstoffe, z.B. Indigo-Weiss, oder Spironaphtoxazine und/oder Naphtopyrane, beispielsweise mit Aluminium, Goldbronze, Cadmium können aus Lösung verdruckt werden. Inwieweit die oder das Lösungsmittel noch nach der Herstellung der funktionellen Schicht in der Schicht nachweisbar ist, kann variieren und ist zum einen von der Art des Lösumgsmittels abhängig und zum zweiten vom gesamten Herstellungsprozess bis zur Verkapselung.
  • Gelöste oder suspendierte Nanopartikel können als Elektroden- oder Antennenmaterialien eingesetzt werden.
  • Niedermolekulare Zusatzstoffe wie FeCl3, J2, PSS können der Funktionsmodifikation (Dotierung) des polymeren Trägermaterials dienen.
  • Anwendungsbeispiel für Gold-Nanopartikel
    • • Herstellung von Gold-Nanopartikeln mit Löslichkeitsvermittelnden Gruppen zur Verwendung in organischen Solventien, wie beispielsweise Toluol (J.M. Wessels et al., Optical and Electrical Properties of Three-Dimensional Interlinked Gold Nanoparticle Assemblies; JACS 2004, 126, 3349–3356)
    • • Mischung der in Toluol gelösten Gold-Nanopartikel mit (in organischen Lösungsmitteln) gelösten polymeren p- bzw. n-Halbleitern ist in unterschiedlichen Konzentrationen möglich. Die Lösungen sind stabil.
    • • Einsatz der Mischung (keine Suspension sondern echte Lösung) für alle gängigen Beschichtungsverfahren, wie Spincoaten oder alle Druckverfahren. Für Spincoaten und verschiedene Druckverfahren (bei PolyIC und Kurz) bereits gezeigt.
  • • Funktionalität des Trägermaterials, beispielsweise P3HT wird verbessert:
    Figure 00080001
  • Alle Konzentrationen an Metall-Nanopartikeln (z.B. Gold-Nanopartikeln) einstellbar
    • – Die Funktionalität der Nanopartikel verglichen mit dem polymeren halbleitenden Trägermaterial überwiegt bei hohen Konzentrationen
    • – Metalle sind aus Lösung druckbar, z.B. für Elektroden oder Antennen
  • Der Vorteil der Erfindung ist vor allem darin zu sehen, dass im Gegensatz zu den Lösungsmitteln der polymeren Funktionsmaterialien, die nach dem Stand der Technik diese durch Druck verarbeitbar gemacht haben, die polymere Matrix nach der Erfindung im fertigen Bauteil beibehalten werden kann und sogar je nach Wahl der Matrix die funktionellen Eigenschaften des Materials positiv verstärken kann. Es wird also das Verdrucken von Zusatzstoffen ermöglicht, die ohne Polymermatrix nicht, beispielsweise im roll-to-roll Prozess druckbar wären.

Claims (13)

  1. Material für eine Funktionsschicht eines organischen elektronischen Bauelements, wobei in einem Polymer als Matrix zumindest ein leitfähiger, halbleitender, photo- und/oder thermoaktiver, selbstemittierender, elektrochromer und/oder isolierender Funktionsstoff so gelöst oder enthalten ist, dass die funktionellen Eigenschaften des Funktionsstoffs in der Polymermatrix zumindest erhalten oder sogar positiv verstärkt werden, während die Polymermatrix die einfache Verarbeitbarkeit und Stabilität des Funktionsstoffes bewirkt.
  2. Material nach Anspruch 1, das ein Druckmedium ist.
  3. Material nach Anspruch 1 oder 2, das unter Normalbedingungen als Druckmedium eingesetzt werden kann.
  4. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Funktionsstoff niedermolekular vorliegt.
  5. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Funktionsstoff in Form eines n-leitenden Farbstoffs in Kombination mit einer p-leitenden Polymermatrix enthalten ist.
  6. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Funktionsstoff ein photochromes und/oder ein thermochromes Element umfasst.
  7. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Funktionsstoff Nanopartikel umfasst.
  8. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Funktionsstoff Nanopartikel mit Löslichkeitsvermittelnden Seitenketten und/oder in einem Lösungsmittel umfasst.
  9. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich noch ein niedermolekularer Zusatzstoff zur Funktionsmodifikation der Polymermatrix enthalten ist.
  10. Material nach einem der vorstehenden Ansprüche, das als Gel, Sol oder Suspension, eine Polymermatrix und den Funktionsstoff zur Bildung der funktionellen leitenden, halbleitenden, photo- bzw. thermoaktiven, selbstemittierenden, elektrochromen und/oder isolierenden Schicht für ein organisches elektronisches Bauelement umfasst.
  11. Verwendung eines Materials nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung einer funktionellen Schicht eines organischen elektronischen Bauelements.
  12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei die Herstellung der Schicht zumindest einen Druckprozessschritt umfasst.
  13. Organisches elektronisches Bauelement mit einer funktionellen Schicht, die ein Material nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst.
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