DE102008058230B4

DE102008058230B4 - Chinoxalinverbindung, organische Leuchtdiode, organischer Dünnfilmtransistor und Solarzelle

Info

Publication number: DE102008058230B4
Application number: DE102008058230.1A
Authority: DE
Inventors: Omrane Fadhel; Michael Limmert; Carsten Rothe
Original assignee: NovaLED GmbH
Current assignee: NovaLED GmbH
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: DE102008058230A1

Abstract

Chinoxalinverbindung der Formel:wobei M ausgewählt ist aus Zr und Hf,jedes R unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff, C1-C20-Alkyl, Aryl, -ORx, wobei Rxund Ryausgewählt sind aus C1-C20-Alkyl oder ein oder mehrere R jedes Liganden Teil eines kondensierten Ringsystems sein können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Chinoxalinverbindungen, dotierte organische Halbleitermaterialien, organische Leuchtdioden, organische Dünnschichttransistoren und organische Solarzellen, in denen diese Chinoxalinverbindungen eingesetzt werden.
Seit der Demonstration von organischen Leuchtdioden und Solarzellen [C.W. Tang et al., Appl. Phys. Lett. 51 (12), 913 (1987)] sind aus organischen Dünnschichten aufgebaute Bauelemente Gegenstand intensiver Forschung. Derartige Schichten besitzen vorteilhafte Eigenschaften für die genannten Anwendungen, wie z.B. effiziente Elektrolumineszenz für organische Leuchtdioden, hohe Absorptionskoeffizienten im Bereich des sichtbaren Lichtes für organische Solarzellen, preisgünstige Herstellung der Materialien und Fertigung der Bauelemente für einfachste elektronische Schaltungen, u.a. Kommerzielle Bedeutung hat bereits der Einsatz organischer Leuchtdioden für Displayanwendungen.
Die Leistungsmerkmale (opto-)elektronischer mehrschichtiger Bauelemente werden unter anderem von der Fähigkeit der Schichten zum Transport der Ladungsträger bestimmt. Im Falle von Leuchtdioden hängen die ohmschen Verluste in den Ladungstransportschichten beim Betrieb mit der Leitfähigkeit zusammen, was einerseits direkten Einfluss auf die benötigte Betriebsspannung hat, andererseits aber auch die thermische Belastung des Bauelements bestimmt. Weiterhin kommt es in Abhängigkeit von der Ladungsträgerkonzentration der organischen Schichten zu einer Bandverbiegung in der Nähe eines Metallkontakts, die die Injektion von Ladungsträgern erleichtert und damit den Kontaktwiderstand verringern kann. Ähnliche Überlegungen führen auch für organische Solarzellen zu dem Schluss, dass deren Effizienz auch durch die Transporteigenschaften für Ladungsträger bestimmt wird.
Durch Dotierung von Löchertransportschichten mit einem geeigneten Akzeptormaterial (p-Dotierung) bzw. von Elektronentransportschichten mit einem Donatormaterial (n-Dotierung) kann die Ladungsträgerdichte in organischen Festkörpern (und damit die Leitfähigkeit) beträchtlich erhöht werden. Darüber hinaus sind in Analogie zur Erfahrung mit anorganischen Halbleitern Anwendungen zu erwarten, die gerade auf Verwendung von p- und n-dotierten Schichten in einem Bauelement beruhen und anders nicht denkbar wären. In US 5,093,698 ist die Verwendung von dotierten Ladungsträgertransportschichten (p-Dotierung der Löchertransportschicht durch Beimischung von akzeptorartigen Molekülen, n-Dotierung der Elektronentransportschicht durch Beimischung von donatorartigen Molekülen) in organischen Leuchtdioden beschrieben.
Folgende Ansätze sind bisher für die Verbesserung der Leitfähigkeit von organischen aufgedampften Schichten bekannt:

1. Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeit durch
1. a) Verwendung von Elektronentransportschichten bestehend aus organischen Radikalen ( US 5,811,833 ),
2. b) Erzeugung hoch geordneter Schichten, die eine optimale Überlappung der p-Orbitale der Moleküle erlauben,
2. Erhöhung der Dichte der beweglichen Ladungsträger durch
1. a) Reinigung und schonende Behandlung der Materialien, um die Ausbildung von Ladungsträgerhaftstellen zu vermeiden,
2. b) Dotierung organischer Schichten mittels
  - aa) anorganischer Materialien (Alkalimetalle: J. Kido et al., US 6,013,384; J. Kido et al., Appl. Phys. Lett. 73, 2866 (1998), Oxidationsmittel wie Iod, SbCl5 etc.)
  - bb) organischer Materialien (TNCQ: M. Maitrot et al., J. Appl. Phys., 60 (7), 2396-2400 (1986), F4TCNQ: M. Pfeiffer et al., Appl. Phys. Lett., 73 (22), 3202 (1998), BEDT-TTF: A. Nollau et al., J. Appl. Phys., 87 (9), 4340 (2000), Naphthalendicarbonsäureamide: M.Thomson et al., WO03088271, kationische Farbstoffe: A.G. Werner, Appl. Phys. Lett. 82, 4495 (2003))
  - cc) Organometallverbindungen (Metallocene: M.Thomson et al., WO03088271)
  - dd) Metallkomplexe (Ru°(terpy)₃: K. Harada et al., Phys. Rev. Lett. 94, 036601 (2005)

Während es für die p-Dotierung bereits ausreichend starke, organische Dotanden gibt (F₄TCNQ), stehen für die n-Dotierung häufig nur anorganische Materialien, z.B. Cäsium, zur Verfügung. Durch Einsatz dieser konnte auch bereits eine Verbesserung der Leistungsparameter von OLEDs erzielt werden. So erzielt man durch Dotierung der Löchertransportschicht mit dem Akzeptormaterial F₄TCNQ eine drastische Reduzierung der Betriebsspannung der Leuchtdiode (X. Zhou et al., Appl. Phys. Lett., 78 (4), 410 (2001).). Ein ähnlicher Erfolg ist durch die Dotierung der elektronentransportierenden Schicht mit Cs oder Li zu erzielen (J. Kido et al., Appl. Phys. Lett., 73 (20), 2866 (1998); J.-S. Huang et al, Appl. Phys. Lett., 80, 139 (2002)).
Ein großes Problem bei der n-Dotierung war lange Zeit, dass für diese nur anorganische Materialien zur Verfügung standen. Die Verwendung von anorganischen Materialien hat jedoch den Nachteil, dass die verwendeten Atome bzw. Moleküle aufgrund ihrer geringen Größe leicht im Bauelement diffundieren können und somit eine definierte Herstellung z.B. scharfer Übergänge von p- dotierten zu n-dotierten Gebieten erschweren.
Die Diffusion sollte demgegenüber bei Verwendung großer, Raum ausfüllender, organischer Moleküle als Dotanden eine untergeordnete Rolle spielen, da Platzwechselvorgänge nur unter Überwindung höherer Energiebarrieren möglich sind.
Es ist seit vielen Jahren insbesondere bei organischen polymeren Halbleitermaterialien bekannt, dass ein wirksamer Elektronentransfer von einem Dotanden (beispielsweise Natrium) auf die organische Matrix (beispielsweise Polyacetylen) nur möglich ist, wenn die Differenz zwischen HOMO-Energieniveau (= Ionisationspotential) des Dotanden und dem LUMO-Energieniveau (= Elektronenaffinität) der Matrix möglichst gering ist.
Zur Bestimmung des Ionisationspotentials ist Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) die bevorzugte Methode (z.B. R. Schlaf et al., J. Phys. Chem. B 103, 2984 (1999)). Eine verwandte Methode, inverse Photoelektronenspektroskopie (IPES), wird zur Bestimmung von Elektronenaffinitäten herangezogen (zB. W. Gao et. al, Appl. Phys. Lett. 82, 4815 (2003), ist jedoch weniger etabliert. Alternativ können die Festkörperpotentiale durch elektrochemische Messungen von Oxidationspotentialen E_ox bzw. Reduktionspotentialen E_red in der Lösung, z.B. durch Cyclovoltammetrie (engl. Cyclic Voltammetry, CV), abgeschätzt werden (zB. J.D. Anderson, J. Amer. Chem. Soc. 120, 9646 (1998)). Mehrere Arbeiten geben empirische Formeln zur Umrechnung der elektrochemischen Spannungsskala (Oxidationspotentiale) in die physikalische (absolute) Energieskala (Ionisationspotentiale) an, z.B. B.W. Andrade et al., Org. Electron. 6, 11 (2005); T.B. Tang, J. Appl. Phys. 59, 5 (1986); V.D. Parker, J. Amer. Chem. Soc. 96, 5656 (1974); L.L. Miller, J. Org. Chem. 37, 916 (1972), Y. Fu et al., J. Amer. Chem. Soc. 127, 7227 (2005). Zwischen Reduktionspotential und Elektronenaffinität ist keine Korrelation bekannt, da sich Elektronenaffinitäten nur schwer messen lassen. Deshalb werden vereinfacht die elektrochemische und die physikalische Energieskala über IP=4.8 eV+ e*E_ox (vs. Ferrocen/Ferrocenium) bzw. EA=4.8eV +e*E_red (vs. Ferrocen/Ferrocenium) ineinander umgerechnet, wie in B.W. Andrade, Org. Electron. 6, 11 (2005) (siehe dort auch Ref. 25-28) beschrieben. Die Umrechnung von verschiedenen Standardpotentialen bzw. Redoxpaaren wird beispielsweise in A.J. Bard, L.R. Faulkner, „Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications", Wiley, 2. Auflage 2000 beschrieben. Aus der obigen Darstellung ergibt sich somit, dass die genaue Ermittlung sämtlicher Energiewerte gegenwärtig nicht möglich ist und die dargestellten Werte lediglich als Richtgrößen aufgefaßt werden können.
Beim n-Dotieren fungiert der Dotand als Elektronendonator und überträgt Elektronen auf eine Matrix, welche sich durch eine genügend hohe Elektronenaffinität auszeichnet. Das heißt die Matrix wird reduziert. Durch den Transfer von Elektronen vom n-Dotanden auf die Matrix wird die Ladungsträgerdichte der Schicht erhöht. Inwieweit ein n-Dotand in der Lage ist, Elektronen an eine geeignete, elektronenaffine Matrix abzugeben und dadurch die Ladungsträgerdichte und damit einhergehend die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, hängt wiederum von der relativen Lage des HOMOs des n-Dotanden und des LUMOs der Matrix relativ zueinander ab. Wenn das HOMO des n-Dotanden über dem LUMO der elektronenaffinen Matrix liegt, kann ein Elektronentransfer stattfinden. Wenn das HOMO des n-Dotanden unter dem LUMO der elektronenaffinen Matrix liegt, kann ebenfalls ein Elektronentransfer stattfinden, vorausgesetzt, dass die Energiedifferenz zwischen den beiden Orbitalen ausreichend niedrig ist, um eine gewisse thermische Population des höheren Energieorbitals zu ermöglichen. Je kleiner diese Energiedifferenz ist, desto höher sollte die Leitfähigkeit der resultierenden Schicht sein. Die höchste Leitfähigkeit ist jedoch zu erwarten für den Fall, dass das HOMO-Niveau des n-Dotanden über dem LUMO-Niveau der elektronenaffinen Matrix liegt. Die Leitfähigkeit ist praktisch messbar und ein Maß dafür, wie gut der Elektronenübertrag vom Donor auf den Akzeptor funktioniert, vorausgesetzt, dass die Ladungsträgermobilitäten verschiedener Matrizen vergleichbar sind.
Die Leitfähigkeit einer Dünnschichtprobe wird mit der 2-Punkt-Methode gemessen. Dabei werden auf ein Substrat Kontakte aus einem leitfähigen Material aufgebracht, z.B. Gold oder Indium-Zinn-Oxid. Danach wird die zu untersuchende Dünnschicht großflächig auf das Substrat aufgebracht, so dass die Kontakte von der Dünnschicht überdeckt werden. Nach Anlegen einer Spannung an die Kontakte wird der dann fließende Strom gemessen. Aus der Geometrie der Kontakte und der Schichtdicke der Probe ergibt sich aus dem so bestimmten Widerstand die Leitfähigkeit des Dünnschichtmaterials. Die 2-Punkt-Methode ist zulässig, wenn der Widerstand der Dünnschicht wesentlich größer ist als der Widerstand der Zuleitungen oder der Kontaktwiderstand. Experimentell wird dies durch einen genügend hohen Kontaktabstand gewährleistet, und dadurch kann die Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinie überprüft werden.
Die Temperaturstabilität kann mit derselben Methode bzw. demselben Aufbau bestimmt werden, indem die (undotierte oder dotierte) Schicht schrittweise aufgeheizt und nach einer Ruhezeit die Leitfähigkeit gemessen wird. Die maximale Temperatur, die die Schicht aushalten kann, ohne die gewünschte Halbleitereigenschaft zu verlieren, ist dann die Temperatur unmittelbar bevor die Leitfähigkeit einbricht. Beispielsweise kann eine dotierte Schicht auf einem Substrat mit zwei nebeneinander liegenden Elektroden, wie oben beschrieben, in Schritten von 1°C erhitzt werden, wobei nach jedem Schritt 10 Sekunden gewartet wird. Dann wird die Leitfähigkeit gemessen. Die Leitfähigkeit ändert sich mit der Temperatur und bricht ab einer bestimmten Temperatur abrupt ein. Die Temperaturstabilität gibt daher die Temperatur an, bis zu der die Leitfähigkeit nicht abrupt einbricht.
Untersuchungen haben gezeigt, dass Metallkomplexdotanden der Struktur I
vorteilhaft als Dotanden für ein organisches Matrixmaterial eingesetzt werden können, da ein solcher Dotand das oben beschriebene Diffusionsproblem löst. Aus diesem Grunde wurde ein Dotand mit der Struktur Ia
als Dotand für herkömmliche Elektronentransportmaterialien, wie Alq₃ (Tris(8-hydroxy-quinolinato)-aluminium) oder BPhen (4,7-Diphenyl-1,10phenanthrolin).
Das Gasphasenionisationspotential des Dotanden mit der Struktur Ia beträgt 3,6 eV. Das entsprechende Ionisationspotential des Festkörpers kann nach Y. Fu et al. (J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7227-7234) abgeschätzt werden und beträgt etwa 2,5 eV.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: CV-Daten, empirisch ermittelte LUMO-Energien und gemessene Leitfähigkeiten verschiedener Elektronentransportmaterialien (BAlq₂ = Bis(2-methyl-8-quinolinato)-4-(phenylphenolato)aluminium-(III), BPhen = Bathophenanthrolin, Alq₃: (Tris(8-hydroxyquinoline-)aluminium), Dotand: W(hpp)₄.

Matrixmaterial	LUMO in eV (ermittelt über CV mit Fc/Fc⁺ als internen Standard)	σ (Leitfähigkeit) in S/cm undotiert□	σ (Leitfähigkeit) in S/cm bei einer Dotierkonzentration von 5 mol%D
Alq₃	2,4	< 1E-10	9,2E-8
BPhen	2,42	< 1E-10	4E-9
BAlq₂	2,39	< 1E-10	8e-8

Wie aus der Tabelle 1 entnommen werden kann, sind die erzielten Leitfähigkeiten mit den bekannten Matrixmaterialien noch unzureichend und sehr gering.
Aus der US 7,230,107 B1 sind Chinolinkomplexe zum Einsatz in organischen elektronischen Vorrichtungen bekannt.
JP 2000-030864 A offenbart eine organische elektrolumineszente Vorrichtung.
DE 699 15 695 T2 offenbart elektrolumineszente Quinolate, insbesondere Lithiumquinolat als ein elektrolumineszentes Material, das Licht im blauen Bereich des Spektrums emittiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Matrixmaterialien, insbesondere Elektronentransportmaterialien, für organische Halbleitermaterialien bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere sollen die Matrixmaterialien verbesserte Leitfähigkeiten und eine verbesserte thermische Stabilität aufweisen, eine reduzierte Antriebspannung des Matrixmaterials und eine geringere Diffusion eines im Matrixmaterial eingebrachten Dotanden bewirken. Die thermische Stabilität ergibt sich dabei beispielsweise aus höheren Glasübergangstemperaturen, höheren Sublimationstemperaturen und/oder höheren Zersetzungstemperaturen.
Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine organische Leuchtdiode, einen organischen Dünnschichttransistor und eine organische Solarzelle bereitzustellen, in denen ein entsprechendes Matrixmaterial eingesetzt werden kann.
Diese Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Chinoxalinverbindung der Formel:
wobei M ausgewählt ist aus, Zr und Hf,
jedes R unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff, C₁-C₂₀-Alkyl, Aryl, -OR_x, wobei R_x und R_y ausgewählt sind aus C₁-C₂₀-Alkyl, oder ein oder mehrere R jedes Liganden Teil eines kondensierten Ringsystems sein können.
Jeder Ligand kann einen oder mehrere Substituenten R aufweisen. Dabei soll oben gezeigte allgemeine Formel so verstanden werden, dass jeder Chinoxalinligand ein oder mehrere Substituenten R aufweisen kann, die nicht Wasserstoff sind. Sind bei der oben gezeigten Verbindung alle Substituenten R eines Liganden Wasserstoff, liegen für diesen nach Definition demnach insgesamt fünf Substituenten vor.
Bevorzugt ist eine Chinoxalinverbindung vorgesehen, wobei jeder Chinoxalinligand mindestens einen Substituenten R aufweist, der kein Wasserstoff ist.
Besonders bevorzugt ist eine Chinoxalinverbindung vorgesehen, wobei R ausgewählt ist aus Aryl.
Am bevorzugtesten wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Chinoxalinverbindung mit der Formel:

Ebenfalls bevorzugt sind Chinoxalinverbindungen mit dem folgenden Substitutionsmuster:

Strukturname	R₁	R₂	R₃	R₄	R₅
A₁	H	H	H	H	H
A₂	H	H	H	Phenyl	H
A₃	H	H	H	2- Pyridyl	H
A₄	H	H	H	4-Pyridyl	H
A₅	H	H	Ph	H	H
A₆	H	Ph	H	H	H
A₇	H	Phenyl	H	Ph	H
A₈	H	Pyridyl	H	H	H
A₉	H	Pyridyl	H	Ph	H
A₁₀	H	H	Pyridyl	H	H
A₁₁	H	Me	H	Me	H
A₁₂	H	Me	H	H	H
A₁₃	H	Me	H	H	Me
A₁₄	Me	Me	Me	Me	Me
A₁₅	H	CN	H	CN	H
A₁₆	H	H	H	CN	H
A₁₇	H	H	H	H	CN
A₁₈	H	H	H	CN	CN

Erfindungsgemäß ist ebenfalls die Verwendung der Chinoxalinverbindung in einer organischen Solarzelle als Excitonenblocker oder Elektronentransportschicht und/oder in einer organischen Leuchtdiode als Elektronentransportschicht oder Emittermatrix.
Vorgesehen kann ebenfalls sein ein dotierter p-n-Übergang in einem organischen elektronischen Bauelement, zur Verbindung von gestapelten organischen lichtemittierenden Dioden, gestapelten Solarzellen bzw. als Konvertierungskontakt zu einer Elektrode, wie es beispielsweise aus EP 1 804 308 oder EP 1 808 910 bekannt ist.
Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein organisches Halbleitermaterial, umfassend mindestens ein organisches Matrixmaterial, das mit mindestens einem Dotanden dotiert ist, wobei das Matrixmaterial eine erfindungsgemäße Chinoxalinverbindung ist.
In einer weiteren Lösung der Aufgabe ist eine organische Leuchtdiode, ein organischer Dünnschichttransistor oder eine organische Solarzelle vorgesehen, welche bzw. welcher erfindungsgemäß ein Halbleitermaterial umfasst.
Überrraschenderweise wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäßen Chinoxalinverbindungen als Matrixmaterial, wie Elektronentransportmaterial eingesetzt werden können, das insbesondere mit Metallkomplexdotanden dotiert werden kann und eine verbesserte Leitfähigkeit zeigt. Durch Einsatz solcher dotierten Schichten erhöht sich die Leistungseffizienz einer erfindungsgemäßen Leuchtdiode, eines Dünnschichttransistors und einer Solarzelle. Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Chinoxalinverbindungen zeigen bei Einsatz als Matrixmaterial ferner eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte thermische Stabilität, eine reduzierte Antriebsspannung und eine geringere Diffusion des in das Matrixmaterial eingebrachten Dotanden. Ferner wurde überraschend gefunden, dass aufgrund der Lage des LUMO bei -3,02 eV eine leichtere Dotierbarkeit des Matrixmaterial möglich ist. Ferner wurde festgestellt, dass die Chinoxalinverbindungen auf einfache Art und Weise auf Basis kostengünstiger Ausgangsmaterialien hergestellt werden können und einstellbare Eigenschaften (durch Auswahl der Substituenten R) aufweisen können.
Eine besondere stabile und gute Dotierbarkeit der Chinoxalinkomplexe wurde erreicht mit: W(hpp)₄; 4,4',5,5'-Tetracyclohexyl-1,1',2,2',3,3'-hexamethyl-2,2',3,3'-tetrahydro-1H,1'H-2,2'-biimidazol; 2,2'-Diisopropyl-i,i',3,3'-tetramethyl-2,2',3,3',4,4',5,5',6,6',7,7'-dodecahydro-1H, 1'H- 2,2' - bibenzo [d] imidazol; 2,2' - Diisopropyl - 4,4',5,5' - tetrakis (4 - methoxyphenyl) -1,1',3,3' - tetramethyl - 2,2',3,3' - tetrahydro - 1H,1'H - 2,2' - biimidazol; 2,2'-Diisopropyl-4,5 - bis (2-methoxyphenyl) - 4',5' - bis (4 - methoxyphenyl) - 1,1',3,3' - tetramethyl-2,2',3,3' - tetrahydro - 1H,1'H - 2,2' - biimidazol; 2,2' - diisopropyl - 4,5 - bis(2-methoxyphenyl) -4',5' - bis (3 - methoxyphenyl) - 1,1',3,3' - tetramethyl - 2,2',3,3' - tetrahydro - 1H,1'H-2,2' - biimidazol.
pn Übergänge werden in OLEDs auch charge generation layer oder auch als connection unit genannt.
pn Übergänge werden in organischen Solarzellen auch als recombination layer bezeichnet.
Typischerweise umfasst die organische Schichtanordnung einer OLED oder einer Solarzelle mehrere übereinander angeordnete organische Schichten. Innerhalb der organischen Schichtanordnung können auch ein oder mehrere pn-Übergänge vorgesehen sein, wie dieses für gestapelte OLEDs bekannt ist (vgl. EP 1478 025 A2 , wobei ein solcher pn-Übergang in einer Ausführung mit Hilfe einer p-dotierten Löchertransportschicht und einer n-dotierten Elektronentransportschicht gebildet wird, die in direktem Kontakt miteinander gebildet sind. Ein solcher pn-Übergang stellt eine elektrische Ladungen erzeugende Struktur dar, in welcher beim Anlegen eines elektrischen Potentials elektrische Ladungen erzeugt werden, vorzugsweise im Grenzbereich zwischen den beiden Schichten.
In Solarzellen und Photosensoren wird der pn-Übergang auch benutzt, um gestapelte Heterojunctions zu verbinden und somit die Spannung, die dieses Bauelement generiert, zu addieren ( US2006027834A ). Die Übergänge haben dieselbe Funktion als Tunnel-Übergänge in gestapelten anorganischen Heterojunction-Solarzellen, obwohl die physikalischen Mechanismen nicht dieselben sind.
Die Übergänge werden auch benutzt, um eine verbesserte Injektion (Extraktion bei Solarzellen) zu den Elektroden zu bekommen ( EP1808910 ).
Zur Verbesserung der energetischen Eigenschaften in einem organischen elektronischen Bauelement wurde in dem Dokument WO 2005/109542 A1 vorgeschlagen, mit einer Schicht aus einem organischen Halbleitermaterial vom n-Typ und einer Schicht aus einem organischen Material vom p-Typ einen pn-Übergang zu bilden, wobei die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial vom n-Typ mit einer als Anode ausgeführten Elektrode in Kontakt ist. Auf diese Weise wird eine verbesserte Injektion von Ladungsträgern in Form von Löchern in die Schicht aus dem organischen Halbleitermaterial vom p-Typ erreicht.
Um den pn-Übergang zu stabilisieren, wird eine Schicht von einem anderen Material als Zwischenschicht benutzt. Solche stabilisieren pn-Übergänge sind z.B. in US2006040132A beschrieben, dort wird ein Metal als Zwischenschicht benutzt. OLEDs mit dieser Metalschicht haben eine kürzere Lebensdauer wegen der Diffusion der Metalatome.
Mit den erfindungsgemäßen Chinoxalinverbindungen können stabile Zwischenschichten bzw. dotierte Zwischenschichten zwischen den p-n-Übergängen bereitgestellt werden, um stabile organische Halbleiterbauelemente herzustellen.
Es ist bekannt dass ein solcher pn-Übergang sehr effizient funktioniert, wenn beide Materialien von p- und n- Typ dotiert sind ( EP1804308 , EP1804309 ).
Ebenfalls ist es möglich, ein Material und eine Materialkombination herzustellen, um einen effizienten und stabilen, hauptsächlich thermisch stabilen pn-Übergang bereitzustellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Herstellung eines Zr-Tetrachinoxalinkomplexes
Beispiel A
Der Ligand 5-Hydroxychinoxalin wurde käuflich von 3B Scientific Corporation erworben.
Gemäß einer Synthesevorschrift aus der US 7,230,107 B1 wurden in einer Glovebox 0,23 g Zirkoniumtetrachlorid in 10 ml Methanol gelöst und dann zu 0,86 g 5-Hydroxychinoxalin, ebenfalls in 10 ml Methanol gelöst, unter Rühren zugegeben. Dann wurden 0,45 g Triethylamin tropfenweise zugegeben. Diese Mischung wurde bei Raumtemperatur für 15 Minuten in der Glovebox gerührt. Dann begann langsam, ein kristalliner Feststoff auszufallen. Der Feststoff wurde durch Filtration gesammelt, in Methylenchlorid wieder aufgelöst, filtriert und unter Vakuum zur Trockne eingedampft. Der erhaltene Feststoff wurde vor Verwendung durch Sublimation gereinigt.
Die Leitfähigkeit und Temperaturstabilität des erfindungsgemäßen Zr-Tetrachinoxalinkomplexes wurde gemäß den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Methoden ermittelt. Der in dem oben beschriebenen Beispiel hergestellte Komplex wurde mit 10 Molprozent eines Dotanden (Verbindung Ia) dotiert. Die Leitfähigkeit betrug bei Raumtemperatur 1,9 × 10^-5 S/cm. Die Temperaturstabilität betrug 121°C.
Zum Vergleich wurde ein analoger Test mit 4-(Naphthalen-1-yl)-2,7,9-triphenylpyrido[3,2-h]chinazolin durchgeführt. Hier betrug die Leitfähigkeit lediglich 7,3 × 10^-6 S/cm, während die thermische Stabilität bei 87°C lag.
Ebenfalls betrug für den erfindungsgemäßen Aufbau die Antriebsspannung (bei 1.000 cd/m²) nur 2,13 V, während für 4 - (Naphthalen-1-yl) - 2,7,9 - triphenylpyrido [3,2-h] chinazolin eine Antriebsspannung von 2,45 V ermittelt wurde. Bei 85°C wurde für das erfindungsgemäße Matrixmaterial keinerlei Diffusion des Dotanden gefunden, während sie bei Verwendung von 4-(Naphthalen-1-yl)-2,7,9-triphenylpyrido [3,2-h] chinazolin 3 nm betrug.
Beispiel B
Die folgende Verbindung wurde hergestellt:
Der Ligand Phenazin-i-ol wurde käuflich von VWR erworben.
Gemäß einer Synthesevorschrift aus der US 7,230,107 B1 wurden in einer Glovebox 0,23 g Zirkoniumtetrachlorid in 10 ml Methanol gelöst und dann zu 0,86 g Phenazin-1-ol, ebenfalls in 10 ml Methanol gelöst, unter Rühren zugegeben. Dann wurden 0,45 g Triethylamin tropfenweise zugegeben. Diese Mischung wurde bei Raumtemperatur für 15 Minuten in der Glovebox gerührt. Dann begann langsam, ein kristalliner Feststoff auszufallen. Der Feststoff wurde durch Filtration gesammelt, in Methylenchlorid wieder aufgelöst, filtriert und unter Vakuum zur Trockne eingedampft. Der erhaltene Feststoff wurde vor Verwendung durch Sublimation gereinigt.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäße Chinoxalinverbindungen sowie deren Verwendung, beispielsweise in einer organischen Leuchtdiode, ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung, in der

1 eine Schnittansicht durch eine typische OLED-Struktur zeigt;
2 einen Schnitt durch eine typische organische Solarzelle zeigt;
3 die Abhängigkeit der Leuchtdichte von der Betriebsspannung von zwei OLEDs zeigt;
4 die Betriebsspannung bei 1000 cd/m² in Abhängigkeit von der Lagerzeit bei 85°C zeigt.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungen sind zur Herstellung effizienter OLEDs besonders geeignet.
1 zeigt eine typische Schichtstruktur einer OLED im Querschnitt. Die Schichten sind dabei auf einem Substrat 10 in der folgenden Reihenfolge aufgebaut: Anode 11, p-dotierte Löchertransportschicht 12, Elektronenblocker 13, Emissionsschicht 14, Löcherblocker 15, n-dotierte Elektronentransportschicht 16 und Kathode 17. Zwei oder mehr Schichten können vereinigt sein, sofern kombinierte Eigenschaften vorhanden sind. Zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Aufbau sind dem Fachmann auch eine invertierte Schichtstruktur, top-emittierende OLEDs, transparente OLEDs und gestapelte OLEDs bekannt. Die Emitterschicht besteht üblicherweise aus einer Emittermatrix und einem Emitterfarbstoff (Emitterdotand); diese Emitterschicht kann aber auch eine Kombination aus mehreren Schichten und unterschiedlichen Materialien sein.
Ebenfalls sind die erfindungsgemäßen Verbindungen zur Herstellung von organischen Solarzellen besonders geeignet.
2 zeigt eine typische Schichtstruktur einer organischen Solarzelle im Querschnitt. Auf einem Substrat 20 sind die Schichten in der folgenden Reihenfolge aufgebaut: Anode 21, p-dotierte Löchertransportschicht 22, nicht-dotierte Löchertransportschicht 23, die auch photoaktiv sein kann, photoaktive Schicht 24, Elektronentransportschicht 25, die auch photoaktiv sein kann, n-dotierte Elektronentransportschicht 26 und Kathode 27. Weitere Schichtaufbaustrukturen für organische Solarzellen sind einem Fachmann ebenfalls bekannt. Zum Beispiel könnte anstelle der n-dotierten Elektronentransportschicht 26 eine dünne Pufferschicht verwendet werden. Zwei oder mehr Schichten können vereinigt sein, sobald kombinierte Eigenschaften vorhanden sind.
Herstellung einer organischen lichtemittierenden Diode
Beispiel 1
Eine OLED wurde mit dem Zirkonium-Tetrachinoxalinkomplex nach Beispiel A hergestellt. Ein mit ITO (Indium-Zinn-Oxid) (ITO-Schichtdicke ist 90 nm) beschichtetes Glassubstrat wurde mit Ethanol, Aceton und Isopropanol, jeweils 5 Minuten lang, im Ultraschallbad gereinigt. Anschließend wurde das Substrat 5 Minuten in Ozonplasma gereinigt und anschließend in Vakuum überführt. Unter Hochvakuum wurden auf dem Substrat die organischen Schichten und die Elektrode aufgedampft, unter Zuhilfenahme einer Schattenmaske, so dass die ITO-Fläche zur späteren elektrischen Kontaktierung freigehalten wurde. Durch thermische Vakuumverdampfung wurde auf die ITO-Schicht eine p-dotierte Lochtransportschicht aufgedampft (60 nm NPD - N,N' - Diphenyl - N,N' - bis(i - naphthyl) -1,1' biphenyl - 4,4" diamin, dotiert mit 4,4',4"-(1E,1'E,1"E)-Cyclopropan-1,2,3-triylidentris(cyanomethan-1-yl-1-yliden)tris (2,3,5,6-tetrafluorbenzonitril), 3 Massen- %). Auf die p-Lochtransportschicht wurde eine 10nm NPD-Schicht aufgedampft. Darauf folgte eine 20 nm dicke Rubren-Emitterschicht, dotiert mit einem kommerziellen roten Farbstoff (10 Massen-%). DCJTB (4-(Dicyanomethylene)-2-tert-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran) kann auch als roter Emitter angewendet werden. Auf der Emitterschicht wurde eine 10 nm dicke Schicht aus der Zr-Chinoxalinverbindung aufgedampft. Danach folgte eine 60 nm dicke Schicht des Zirkonium-Tetrachinoxalinkomplexes, dotiert mit Tetrakis(1,3,4,6,7,8-Hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)diwolfram(II) (W(hpp)₄) (10 Massen-%). Zuletzt wurde eine 100 nm dicke Aluminiumschicht als Kathode aufgedampft. Dieses Beispiel führte zu einer Antriebsspannung von 2,15 V bei 1000 cd/m².
Vergleichsbeispiel 2
Eine organische lichtemittierende Diode wurde wie in dem obigen Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch der Zirkoniumtetrachinoxalinkomplex durch 4-(Naphthalen-1-yl)-2,7,9-triphenylpyrido[3,2-h]chinazolin ersetzt wurde. Dieses Beispiel führte zu einer Betriebsspannung von 2,45 V bei 1000 cd/m².
3 zeigt die Leuchtdichte der zwei hergestellten OLEDs in Abhängigkeit von der Betriebsspannung. Die offenen Kreise sind die mit der Verbindung aus dem Stand der Technik gemessenen Daten für eine OLED, während sich die geschlossenen Kreisen auf eine OLED beziehen, die mit der erfindungsgemäßen Verbindung hergestellt worden ist.
4 zeigt die Betriebsspannung bei 1000 cd/m² in Abhängigkeit von der Lagerzeit bei 85°C. Die OLED mit der Verbindung aus dem Stand der Technik ist durch die Kurve mit offenen Kreisen dargestellt und wird mit der OLED unter Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungen (Kurve mit geschlossenen Kreisen) verglichen. Die erfindungsgemäße OLED hat außer der geringen Betriebsspannung von etwa 2,15 V eine hohe thermische Stabilität, und nach 1000 Stunden hat sich die Betriebsspannung kaum geändert. Zur gleichen Zeit hat sich die Betriebsspannung der OLED mit der Verbindung aus dem Stand der Technik von etwa 2,4 V auf 2,7 V erhöht.
Besonders gute Eigenschaften, die nicht auf die Beispiele begrenzt sind, wie Leistungseffizienz und Lebensdauer, wurden mit p-Dotierung mit den folgenden p-Dotanden erreicht: 2,2' - (Perfluornaphthalen - 2,6 -diyliden) dimalononitril; 2,2' - (2,5 - Dibrom - 3,6 - difluorcyclohexa - 2,5 - dien - 1,4 - diyliden) dimalononitril; (2E,2'E,2"E) - 2,2',2" - (Cyclopropan - 1,2,3 - triyliden) tris (2 - (2,6 - dichlor-3,5 - difluor - 4 - (trifluormethyl) phenyl) acetonitril); 4,4',4"-(1E,1'E,1"E)-Cyclopropan-1,2,3-triylidentris(cyanomethan-1-yl-1-yliden)tris (2,3,5,6-tetrafluorbenzonitril).
Beispiel 3. organische Solarzelle mit Zirkoniumtetrachinoxalinkomplex
Eine übliche CuPc-C6o-Solarzelle („bulk heterojunction“) wurde wie gefolgt hergestellt: eine OLED wurde mit dem oben beschriebenen Zirkoniumtetrachinoxalinkomplex nach Beispiel A hergestellt. Ein mit ITO (ITO-Schichtdicke von 90 nm) beschichtetes Glassubstrat wurde mit Ethanol, Aceton und Isopropanol, jeweils 5 Minuten, im Ultraschallbad gereinigt. Darauf wurde das Substrat 5 Minuten lang in Ozonplasmen gereinigt und anschließend in ein Vakuum geführt. Unter Hochvakuum (Druck kleiner als 10^-3Pa) wurden die Schichten in der folgenden Reihenfolge durch thermische Vakuumverdampfung aufgetragen: 10 nm dicke CuPc, dotiert mit F₄-TCNQ (5 Massen-96); 10 nm dickes undotiertes CuPc (Cupfer Phthalocyanin); 30 nm dicke 1:2 (Massen) Mischung aus CuPc in C60; 40 nm dicke undotierte C6o-Schicht; 10 nm dicke Schicht des Zirkoniumtetrachinoxalinkomplexes; 100 nm dicke Aluminiumkathode. Der Druck in der Verdampfungskammer für die Aluminiumverdampfung war etwas höher als für die Verdampfung der organischen Schichten, jedoch immer noch niedriger als 10^-2Pa.
Beispiel 4, organische Solarzelle mit BCP
Eine organische Solarzelle wurde wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt, jedoch wurde anstelle des Zirkoniumtetrachinoxalinkomplexes eine 10 nm dicke Schicht aus Bathocuproin (BCP) benutzt.
Die photoelektrischen Eigenschaften unter einem AM 1.5 (air mass 1.5) simulierten Sonnenspektrum beider organischen Solarzellen sind sehr ähnlich. Die organische Solarzelle aus Beispiel 4 weist eine V_oc = 0,51 V, FF = 43 %, Isc = 8,13 mA/cm² auf, während die organische Solarzelle aus Beispiel 3 eine V_oc = 0,50 V, FF = 41 %, Isc = 7,99 mA/cm² aufweist.
Beide Solarzellen wurden thermisch belastet. Die I-V-Kennlinie wurde gemessen und danach die Temperatur der Solarzelle um 1°C erhöht und 10 Minuten gewartet. Die Prozedur wurde wiederholt (messen, heizen, warten). Das Bauelement von Beispiel 4 funktionierte bei 67°C nicht mehr (FF = 25 % , Isc < 1 mA/cm²). Das Bauelement aus Beispiel 3 funktionierte noch bis 85°C ohne große Änderungen der I-V-Kennlinie, danach wurde die Messung abgebrochen.
Beispiel 5. Herstellung eines pn-Übergangs
Ein Bauelement mit einem stabilen pn-Übergang wird wie folgt hergestellt:

a) 50 nm 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-methylphenylamino)-9,9'-spirobifluoren als p-Typ dotierte Löchertransportschicht, 4 % molar dotiert mit 2-(6-Dicyanomethylen-1,3,4,5,7,8-hexafluor-6H-naphtalen-2-yliden)-malononitril;
b) 10 nm NPB als Zwischenschicht;
c) 20 nm Spiro-DPVBI;
d) 10 nm 2,4,7,9-Tetraphenyl-1,10-phenanthrolin;
e) 45 nm Zirkoniumtetrachinoxalinkomplex nach Beispiel A, 5% molar als n-Typ dotierte Elektronentansportschicht dotiert mit NDOP;
f) 50 nm 2,2',7,7'-Tetrakis-(N,N-di-methylphenylamino)-9,9'-spirobifluoren als p-Typ dotierte Löchertransportschicht, 4 % molar dotiert mit 2-(6-Dicyanomethylen -1,3,4,5,7,8-hexafluor-6H-naphtalen-2-yliden)-malononitril;
g) 10 nm NPB als Zwischenschicht;
h) 20 nm Spiro-DPVBI;
i) 10 nm 2,4,7,9-Tetraphenyl-1,10-phenanthrolin;
j) 20 nm 2,4,7,9-Tetraphenyl-1,10-phenanthrolin 5% molar als n-Typ dotierte Elektronentransportschicht dotiert mit NDOP;
k) 100 nm Aluminium als Spiegelelektrode.

Es resultiert eine blaue gestapelte PIN-OLED, die molekulare Dotanden in den dotierten Transportschichten benutzt, wobei Schichten (f) und (g) dem dotierten pn-Übergang entsprechen.
Dieses Bauelement erzeugt eine Lichtstärke von 1000 cd/m² bei 8,9 V mit einer Stromeffizienz von 10,8 cd/A.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zur Verwirklichung der Erfindung in ihren unterschiedlichen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Chinoxalinverbindung der Formel:
wobei M ausgewählt ist aus Zr und Hf, jedes R unabhängig ausgewählt ist aus Wasserstoff, C₁-C₂₀-Alkyl, Aryl, -OR_x, wobei R_x und R_y ausgewählt sind aus C₁-C₂₀-Alkyl oder ein oder mehrere R jedes Liganden Teil eines kondensierten Ringsystems sein können.
Chinoxalinverbindung nach Anspruch 1, wobei jeder Chinoxalinligand mindestens einen Substituenten R aufweist, der kein Wasserstoff ist.
Chinoxalinverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei R ausgewählt ist aus Aryl.
Chinoxalinverbindung nach Anspruch 1 mit einer der folgenden Formeln:
Verwendung der Chinoxalinverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer organischen Solarzelle als Excitonenblocker oder Elektronentransportschicht und/oder in einer organischen Leuchtdiode als Elektronentransportschicht oder Emittermatrix.
Organisches Halbleitermaterial umfassend mindestens ein organisches Matrixmaterial, das mit mindestens einem Dotanden dotiert ist, wobei das Matrixmaterial eine Chinoxalinverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.
Organische Leuchtdiode, organischer Dünnschichttransistor oder organische Solarzelle, welche bzw. welcher ein Halbleitermaterial nach Anspruch 6 umfasst.