Analyse chimique avancée des diodes électroluminescentes organiques

Depuis les années 80, l’électronique organique connaît un essor considérable, plus particulièrement avec la commercialisation de diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) dans les années 2000. Néanmoins, l’intégration de ces dispositifs à certaines applications rencontre plusieurs défis, notamment en terme d’efficacité, de durée de vie et de stabilité. Afin d’améliorer les performances électro-optiques des OLEDs, il est essentiel de comprendre les mécanismes de dégradation en jeu lors du fonctionnement de ces dispositifs afin de proposer de nouvelles structures, molécules et dopants.La spectrométrie de masse à temps de vol (ToF-SIMS) et la spectroscopie de photoémission des rayons X (XPS) sont deux techniques couramment employées pour étudier la composition chimique de multicouches. Avec le développement de nouvelles sources d’abrasion innovantes comme les agrégats d’argon dans les années 2000, une analyse fiable des multicouches et des interfaces organiques par acquisition de profils en profondeur est possible. Cependant, lors de ces acquisitions, les faisceaux d’analyse peuvent endommager les molécules organiques et ainsi masquer les dégradations liées au vieillissement des OLEDs.Une nouvelle méthodologie a été développée lors de ces travaux de thèse permettant de minimiser les dégradations extrinsèques liées aux faisceaux d’analyse, et de corréler les résultats ToF SIMS et XPS. Cette méthodologie est basée sur l’analyse de la surface d’un cratère en biseau possédant un angle très rasant (de l’ordre de 0,01°). Celui-ci est fabriqué en balayant la surface d’un échantillon avec le faisceau d’abrasion d’agrégats d’argon. Le temps d’exposition par pixel de ce faisceau varie linéairement selon un axe, permettant de révéler l’empilement organique. Par conséquent, l’information en profondeur des multicouches est convertie en information spatiale à la surface du cratère. Cette méthodologie apporte une information en profondeur similaire à celle obtenue par l’acquisition de profils en profondeur ainsi qu’une corrélation des données ToF-SIMS et XPS.Ce protocole a été employé pour analyser des OLEDs après vieillissement électrique. Plusieurs mécanismes de dégradation ont été mis en évidence. Au cours du fonctionnement de l’écran, les molécules organiques se fragmentent, entraînant l’accumulation de pièges de porteurs de charges ainsi que la formation de centres de recombinaison non radiatifs. Les analyses XPS indiquent l’apparition de barrières d’énergies qui dégradent l’équilibre des charges et déplacent la zone de recombinaison. Les couches responsables du transport des électrons et la couche émissive sont particulièrement liées à la perte de performances des dispositifs, démontrant l’intérêt du développement de nouvelles molécules ou dopants stables pour le transport des électrons.Enfin, ces travaux de thèse se sont penchés sur l’étude comparative de deux éléments inorganiques (argent et calcium) pour le dopage de la couche de transport des électrons à base de BPhen. Dans le cas d’un dopage à base d’argent, les mesures ToF-SIMS et XPS ont mis en évidence la formation d’un complexe [(BPhen)Ag]. Une comparaison avec le dopant actuel (calcium) indique un niveau de dopage et des caractéristiques électro-optiques (I-V-L) similaires. Une meilleure stabilité électrique des dispositifs « electron-only device » ainsi qu’une meilleure stabilité suite à l’exposition à l’air est obtenue avec un dopage à base d’argent. Ce dopage est prometteur pour améliorer les performances électro-optique des OLEDs.