Химическое осаждение тонких пленок люминесцирующих ароматических карбоксилатов РЗЭ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, кандидат химических наук Уточникова, Валентина Владимировна

• Уточникова, Валентина Владимировна
• кандидат химических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат химических наук Уточникова, Валентина Владимировна

I. Список обозначений и сокращений.

1.1. Список использованных в работе обозначений.

1.2. Перечень синтезированных соединений и их обозначения.

II. Общая характеристика работы.

11.1. Актуальность темы.

11.2. Цель работы.

П.З. Объекты исследования.

11.4. Конкретные задачи работы.

11.5. Научная новизна работы.

11.6. Практическая значимость работы.

11.7. Апробация работы.

11.8. Личный вклад автора.

11.9. Публикации.

III. Обзор литературы.

111.1. Особенности люминесценции органических соединений.

111.2. Особенности люминесценции КС РЗЭ.

111.3. Области применения тонких пленок органических люминесцентных соединений

111.3.1. Органические светоизлучающие диоды (OLED).

111.3.2. Переизлучатели в ячейках Гретцеля.

111.4. Методы нанесения тонких пленок органических соединений.

111.5. Особенности строения и люминесцентные свойства ароматических карбоксилатов РЗЭ.

111.6. OLED на основе ароматических карбоксилатов тербия.

IV. Постановка задачи.

V. Экспериментальная часть.

V.l. Реактивы, методы анализа и исследования.

V. 1.1 Реактивы и препараты.

V. 1.2 Методы анализа и исследования.

V.2. Методики синтеза исследуемых соединений.

V.2.1 Синтез ацетилацетонмина и салицилиденэтилендиамина.

V.2.2 Синтез (3-дикетонатов РЗЭ Ln(dpm)3.

V.2.3 Синтез ароматических карбоксилатов РЗЭ Ьп(СагЬ)з(Н20)п.

V.2.4 Синтез разнолигандных комплексов ароматических карбоксилатов РЗЭ Ьп(СагЬ)з(Ь)п(Н20)т.

V.2.5 Нанесение тонких пленок РЛК ароматических карбоксилатов РЗЭ(Ш) методом spin-coating.

V.2.6 Эксперименты по термической обработке порошков и пленок РЛК ароматических карбоксилатов

РЗЭ(Ш).

V.2.7 Взаимодействие Ln(dpm)3 с НСагЬ и H2salen в растворе.

V.2.8 Реакционное осаждение Ln(bz)3 (Ln = La, Tb, Lu) из газовой фазы.

V.2.9 Технология изготовления OLED.

VI. Обсуждение результатов.

VI. 1. Метод реакционного осаждения из газовой фазы (Reactive Chemical Vapor Deposition, RCVD).

VI.l.l. Газофазный синтез нелетучих Ln(Carb')3.

VI. 1.2. Реакционное осаждение тонких пленок Tb(bz)3 и Tb(pobz)3.

VI. 1.3. Реакционное осаждение тонких пленок нелетучих Ln2(Carb2)3.

VI.2. Осаждение тонких пленок из растворов методом образования-разложения разнолигандных комплексов (Mixed-Ligand Complex Formation-Decomposition, MLCFD).

VI.2.1 Химические основы метода MLCFD.

VI.2.2. Осаждение тонких пленок Ьп(СагЬ')з и Ln2(Carb2)3 методом MLCFD.

VI.3. Тестирование пленок в структуре OLED.

VI.3.1 OLED на основе пленки Tb(bz)3, осажденной методом RCVD.

VI.3.2 OLED на основе пленок Tb(pobz)3, осажденных методом MLCFD.

Заключение диссертации по теме «Неорганическая химия», Уточникова, Валентина Владимировна

VIII. Выводы

1. Предложены два новых химических метода нанесения тонких пленок нелетучих и нерастворимых ароматических карбоксилатов РЗЭ: из газовой фазы (RCVD) и из раствора (MLCFD), продемонстрирована эффективность применения этих методов для осаждения тонких пленок производных одно- и двухосновных ароматических кислот;

2. Методологический подход, основанный на совокупном использовании методов колебательной и люминесцентной спектроскопии, позволяет определить состав ароматических карбоксилатов в тонких пленках;

3. При изучении процессов обмена лигандами между парами дипивалоилметанатов РЗЭ и ароматических кислот, лежащих в основе метода RCVD, установлено: a. температура зоны протекания реакции и осаждения продукта должна обеспечивать переход в газовую фазу наименее летучего компонента и не быть выше температур разложения реагентов и продуктов, b. в предложенном варианте метод RCVD имеет ограниченное применение для синтеза производных труднолетучих ароматических двухосновных кислот, c. газофазная реакция обмена лигандами протекает с образованием промежуточного продукта, в состав которого включен менее летучий компонент, а. разнолигандые промежуточные продукты реакции обмена превращаются в однороднодигандные ароматические карбоксилаты при термической обработке, которая также способствует улучшению морфологии и гладкости их пленок;

4. Синтезированы и охарактеризованы 25 новых РЛК РЗЭ с одно- и двухосновными ароматическими кислотами и нейтральными донорными лигандами;

5. При изучении процессов образования и разложения РЛК ароматических карбоксилатов РЗЭ, лежащих в основе метода MLCFD, установлено: а. метод MLCFD эффективен для нанесения тонких пленок однороднолигандных ароматических карбоксилатов РЗЭ, если прекурсор -РЛК - обладает достаточной растворимостью для нанесения его тонких пленок методом spin-coating, а стадии отрыва нейтрального лиганда и термического распада карбоксилата разделяются на температурной шкале, b. при выполнении поставленного условия термическая обработка пленок разнолигандных комплексов приводит к образованию пленок однороднолигандных карбоксилатов и способствует улучшению их морфологии и гладкости;

6. Пленки ароматических карбоксилатов, полученные предложенными методами, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам эмиссионного слоя в OLED, что показано на примере создания OLED на основе Tb(bz)3 и Tb(pobz)3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Уточникова, Валентина Владимировна, 2012 год

1. М.Н. Бочкарев, А.Г. Витухновский, М.А. Каткова. Органические светоизлучающие диоды (OLED), Нижний Новгород: Деком, 2011

2. F. A. Cotton, G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry, John Wiley and Sons: New York, 1988

3. M. Montalti, A. Credi, L. Prodi, M. Teresa Gandolfi. Handbook of Photochemistry, 3rd Edition, The CRC Press. New York, 2006

4. G.A. Grosby, R.E. Whan, J.J. Freeman, Spectroscopic studies of rare earth chelates // The J. Chem. Phys 66 (1962) 2493

5. A.A. Kaminskii. Crystalline Lasers: Physical Processes and Operating Schemes. The CRC Press. New York, 1996

6. G.H. Dieke. Spectra and energy levels of rare earth ions in crystals. Interscience Publishers. New York, 1968

7. G. Blasse, B.C. Grabmeier. Luminescent Materials. Springer Verlag. Berlin, 1994

8. S.A. Weissman, Intramolecular energy transfer: the fluorescence of complexes of europium // The J. Chem. Phys. 10 (1942) 214

9. A.P.B. Sinha, Fluorescence and Laser Action in Rare Earth Chelates // Spectrosc InorgChem 2(1971)255

10. J.-C. G. Bunzli, Rare earth luminescent centers in organic and biochemical compounds, в: Spectroscopic properties of rare-earuis in uplical materials (Eds.: G. Liu, В J?cnnpr) Berlin: Springer-Verlag, 2005, Ch. 11

11. H.C. Полуэктов, Л.И. Кононенко, Н.П. Ефрюшина, С.В. Бельтюкова. Спектрофотометрические и люминесцентные методы определения лантаноидов. Киев: Наук. Думка. 1989

12. J. Kido, Y. Okamoto, Organo Lanthanide Metal Complexes for Electroluminescent Materials // Chem. Rev. 102 (2002) 2357

13. Y. Zheng, J. Lin, Y. Liang, Q. Lin, Y. Yu, Q. Meng, Y. Zhou, S. Wang, H. Wang and H. Zhang, A comparative study on the electroluminescence properties of some terbium P-diketonate complexes IIJ of Mater Chem 11 (2001) 2615

14. B. Yan, H. Zhang, S. Wang, J. Ni, Intramolecular energy transfer mechanism between ligands in ternary rare earth complexes with aromatic carboxylic acids and 1,10-phenanthroline//7 ofPhotochem and Photobiology A Chemistry 116 (1998) 209

15. M. Hilder, M. Lezhnina, M.L. Cole, C.M. Forsyth, P.C. Junk, U.H. Kynast, Spectroscopic properties of lanthanoid benzene carboxylates in the solid state: Part 2. Polar substituted benzoates // J. ofPhotochem. and Photobiol. A: Chemistry 217 (2011) 76

16. M.A. Katkova, V.A. Itichev, A.N. Konev, I.I. Pestova, G.K. Fukin, M.N. Bochkarev, 2-Mercaptobenzothiazolate complexes of rare earth metals and their electroluminescent properties // Organic Electronics, 10 (2009) 623

17. X.-C. Gao, H. Cao, C.-H. Huang, S. Umitani, G.-Q. Chen, P. Jiang, Photoluminescence and electroluminescence of a series of terbium complexes II Synth. Met. 99 (1999) 127

18. M. Pope, H.P. Kallmann, P.J. Magnante, Electroluminescence in Organic Crystals // J. Chem. Phys. 38 (1962) 2042

19. C.W. Tang, S.A. Vanslyke, Organic Electroluminescent Diodes // Appl. Phys. Lett. 51 (1987)913

20. J.H. Burroughes, D.D.C. Bradley, A.R. Brown, R.N. Marks, K. Mackay et. al., Light-Emitting Diodes based on conjugated polymers // Nature 347 (1990) 539-541

21. T. Justel, H. Nikol, C. Ronda, New developments in the field of luminescent materials for lighting and displays // Angew. Chem., Int. Ed., 37 (1998) 3084.

22. A.F. Rausch, M.E. Thompson, H. Yersin, Triplet state relaxation processes of the OLED emitter Pt(4,6-dFppy)(acac) // Chemical Physics Letters 468 (2009) 46

23. C P Ronda. Luminescence: from theory to applications. Wiley VCH. Weinheim, 2008

24. F. Xu, W. Zhu, L. Y., Hong Xu, L. H. Xiong, J. H. Li, Single walled carbon nanotube anodes based high performance organic light-emitting diodes with enhanced contrast ratio // Organic Electronics 13 (2012) 302

25. S.-M. Lee, C. S. Choi, K. C. Choi, H.-C. Lee, Low resistive transparent and flexible ZnO/Ag/ZnO/Ag/WOi electrode for organic light-emitting diodes // Organic Electronics 13 (2012) 1654

26. J.-C. P. Gabriel, 2d Réseaux 2d aléatoires à nanotubes de carbone// C. R. Physique, 11 (2010)362

27. S.-H. Jo, Y.-K. Lee, J.-W. Yang, W.-G. Jung, J.-Y. Kim, Carbon nanotube-based flexible transparent electrode films hybridized with self-assembling PEDOT II Synthetic Metals, 162 (2012) 1279

28. E.I. Haskal, M. Bûchel, P.C. Duineveld, A. Sempel, P. Van de Weijer, Passive-matrix polymer light-emitting displays II MRS Bull. 27 (2002) 864

29. Z. Li, H. Meng, Organic Light-Emitted Materials and Devices. London, New York: Taylor and Francis Group. Boca Raton. 2006. Ch.3

30. V.A. Ilichev, M.A. Katkova, S.Yu. Ketkov, N.A. Isachenkov, A.N. Konev, G.K. Fukin, M.N. Bochkarev, Scandium 2-mercaptobenzothiazolate: Synthesis, structure and electroluminescent properties // Polyhedron, 29 (2010) 400

31. K. Goushi, K. Yoshida, K. Sato, Ch. Adachi, Organic light-emitting diodes employing efficient reverse intersystem crossing for triplet-to-singlet state conversion // Nature Photonics, 6 (2012) 253

32. G. Blasse, В. С. Grabmaier, Luminescent Materials. Berlin: Springer-Verlag. 1991. Ch. 4.

33. P. Schouwink, A. M. Schafer, С. Seidel, H. Fuchs, Influence of molecular aggregation on the device properties of organic light emitting diodes // Thin Solid Films 372 (2000) 163

34. E. Polikarpov, J.S. Swensen, N. Chopra, F. So, A.B. Padmaperuma, An ambipolar phosphine oxide-based host for high power efficiency blue phosphorescent organic light emitting devices //AppliedPhysics Letters 94 (2009), art. no. 223304

35. B. O'Regan, M. Grätzel, A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal ТЮ2 films // Nature 353 (1991) 737

36. В. И. Спицын, Л. И. Мартыненко. Координационная химия редкоземельных элементов. М.: Изд. Моск. Университета. 1 (1974) 3.

37. A.G. Emslie, F.Т. Bonner, L.G. Peck, Flow of a Viscous Liquid on Rotating Disk // J. Appl. Phys. 29(1958) 858

38. P.J. van der Put, The Inorganic Chemistry of Materials, Plenum Press. New York and London. 391 (1998) 391

39. M. Manceau, D. Angmo, M. Jorgensen, F.C. Krebs, ITO-free flexible polymer solar cells: From small model devices to roll-to-roll processed large modules // Org. Electr. 12 (2011) 566

40. M. Bredol, U. Kynast and C. Ronda, Designing Luminescent Materials // Adv. Mater., 3 (1991)361

41. В.И. Спицын, Л.И. Мартыненко. Координационная химия редкоземельных элементов. Издательство Московского Университета. Москва, 1979

42. В.И. Минкин. Лантаноиды. Простые и комплексные соединения. Издательсво Ростовского Университета. Ростов, 1980

43. A. Ouchi, Y. Suzuki, Y. Ohki and Y. Koizumi, Structure of rare earth carboxylates in dimeric and polymeric forms // Coord. Chem. Rev., 29 (1988) 92

44. H. BuBkamp, G.B. Deacon, M. Hilder, P.C. Junk, U.H. Kynast, W.W. Lee, D.R. Turner, Structural variations in rare earth benzoate complexes. Part I. Lanthanum // CrystEngComm., 9 (2007) 394

45. G. B. Deacon, S. Hein, P. C. Junk, T. Justel, W. Lee and D. R. Turner, Structural variations in rare earth benzoate complexes. Part II. Yttrium and terbium // CrystEngComm, 9 (2007) 1110

46. B. Li, D.G. Ma, H.J. Zhang, X.J. Zhao, J.Z. Ni, Electroluminescent devices based on monohexadecyl phthalate terbium // Thin Solid Films 325 (1998) 259

47. Q. Lin, H.J. Zhang, Y.J. Liang, Y.X. Zheng, Q.G. Meng, S.B. Wang, Ch. Gou, Electroluminescent properties of the Tris-(acetylsalicylate)-terbium (Tb(AS)3) // Thin Solid Films 396 (2001) 192

48. Y. Zheng, C. Shi, Y. Liang, Q. Lin, C. Guo, H. Zhang, Synthesis and electroluminescent properties of a novel terbium complex // Synth. Met. 114 (2000) 321

49. A. Edwards, T.Y. Chu, C. Claude, I. Sokolik, Y. Okamoto, R. Dorsinville, Synthesis and characterization of electroluminescent organo-lanthanide(iii) complexes // Synth. Met. 84 (1997)433

50. H. Q. Wang, M. Batentschuk, A. Osvet, L. Pinna and C. J. Brabec, Rare-Earth Ion Doped Up-Conversion Materials for Photovoltaic Applications II Adv. Mater. 23 (2011) 2675

51. T. W. Canzler, J. Kido, Exciton quenching in highly efficient europium-complex based organic light-emitting diodes //Org. Electron., 1 (2006) 29.

52. P. P. Lima, R. A. Sa Ferreira, R. O. Freire, F. A. Almeida Paz, L. Fu, S. Alves, L. D.

53. Carlos and О. L. Malta, Optical Properties of Lanthanide-Doped Lamellar Nanohybrids // ChemPhysChem, 1 (2006) 735

54. X. C. Gao, H. Cao, С. H. Huang, S. Umitani, G. Q. Chen, P. Jiang, Photoluminescence and electroluminescence of a series of terbium complexes // Synth Met 99 (1999) 127

55. J. E. Sicre, J. T. Dubois, K. J. Eisentraut, and R. E. Sievers, Volatile lanthanide chelates. II. Vapor pressures, heats of vaporization, and heats of sublimation // J Am Chem Soc 91 (1969)3476

56. T. Earl Jordan. Vapor Pressure of org. сотр. New York London, Interscience publ. 1954. 125 p.

57. Г.В. Гиричев, НИ. Гиричева, H.B. Белова, А.Р. Кауль, Н.П. Кузьмина и О.Ю. Горбенко, Изучение термической устойчивости дипивало-илметаната иттрия методом масс-спектрометрии // ЖНХ, 38 (1993) 2

58. N. Naghavi, C. Marcel, L. Dupont, A. Rougier, J.-B. Leriche, C. Guery, Structural and physical characterisation of transparent conducting pulsed laser deposited In203-Zn0 thin films // J of Mater Chem 10(2000)2315

59. P. Пршибил. Комплексоны в химическом анализе, Москва, Мир, 1955, 187с.

60. К. Накамото. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений, Москва, Мир, 1991, 411 с.

61. Л.А. Казицына, Н.Б. Куплетская. Применение УФ-, ИК- и ЯМР спектроскопии в органической химии, Москва, Высшая школа, 1971, 264 с.

62. А.Д. Русин, Газовый термометр для тензиметрических измерений // Ж Физ Хим А. 82(2008)1421.

63. P.J. McCarthy, R.J. Hovey, К. Ueno, А. Е. Martell, Inner Complex Chelates. I. Analogs of Bisacetylacetoneethylenediimine and its Metal Chelates //J Amer Chem Soc 77 (1955) 5820

64. H. Schiff, Eine neue Reihe organischer Diamine // Ann Suppl, 3 (1864) 343

65. K. J. Eisentraut and R. E Sievers, Volatile Rare Earth Chelates // J Am Chem Soc 87 (1965) 5254

66. Gmelin Handbook of Inorganic Chemistry, 39, D4 (Berlin, 1984).

67. O. Moudam, B. C. Rowan, M. Alamiry, P. Richardson, B. S. Richards, A. C. Jones and N. Robertson, Europium complexes with high total photoluminescence quantum yields in solution and in PMMA // Chem. Commun., (2009) 6649

68. A. B. Djurisic, T. W. Lau, L. S. M. Lam and W. K. Chan, Influence of atmospheric exposure of tris(8-hydroxyquinoline) aluminum (AIQ3): a photoluminescence andabsorption study // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process., 78 (2004) 375

69. N. Hanai, M. Sumitomo and H. Yanagi, Vapor-deposited poly(N-vinylcarbazole) films for hole transport layer in organic electroluminescent devices // Thin Solid Films, 331 (1998) 106

70. J. G. Gracelli, M.K. Snavtly, B.J. Bulkin. Chemical Applications of Raman Spectroscopy, New York: John Wiley & Sons, 1981, 208 p.

71. O. Kotova, V. Utochnikova, S. Samoilenkov and N. Kuzmina, Thin Films of Tb(pobz)3 (Hpobz = 2-phenoxybenzoic acid): Reactive CVD and Optical Properties // ECS Trans., 2 (2009) 110

72. O.V. Kotova, V.V. Utochnikova, S.V. Samoylenkov, A.D. Rusin, L.S. Lepnev, and N.P. Kuzmina, Reactive chemical vapour deposition (RCVD) of non-volatile terbium aromatic carboxylate thin films II J. Mater. Chem., 22 (2012) 4897

73. M. Hilder, P. C. Junk, U. H. Kynast and M. M. Lezhnina, Spectroscopic properties of lanthanoid benzene carboxylates in the solid state: Part 1 // J. Photochem. Photobiol. A, 202 (2009) 10

74. M. Hilder, M. Lezhnina, M. L. Cole, C. M. Forsyth, P. C. Junk and U. H. Kynast, Spectroscopic properties of lanthanoid benzene carboxylates in the solid state: Part 2. Polar substituted benzoates // J. Photochem. Photobiol., A, 217 (2011) 76

75. N.K. Dutt, K. Nag, Chemistry of lanthanons—XVIII: Mixed chelates of La, Pr, Nd, Sm and Y containing p-diketone and bis-salicylaldehyde ethylenediamine // J. Inorg. Nucl. Chem. 30(1968) 2779

76. Лебедев Ю.А., Мирошниченко Е.А. Термохимия парообразования органических веществ М., 1981

77. Z. Wang, Y. Yang, Y. Cui, Z. Wang, and G. Qian, Color-tunable and white-light emitting lanthanide complexes based on (CexEuyTbi-x-y)2(BDC)3(H20)4 // J. of Alloys and Compounds, 510 (2011) L5

78. ICI Chemicals and Polymers Limited, Product Safety Data: Pure Terephthalic Acid, 1991.

79. L. Armelao, S. Quici, F. Barigelletti, G. Accorsi, G. Bottaro, M. Cavazzini, E. Tondello, Design of luminescent lanthanide complexes: From molecules to highly efficient photo-emitting materials // Coord. Chem. Rev. 254 (2010) 487

80. S. Qiu, G. Zhu, Molecular engineering for synthesizing novel structures of metal-organic frameworks with multifunctional properties // Coord. Chem. Rev. 253 (2009) 2891

81. Yu.E. Alexeev, B.I. Kharisov, T.C. Hernández García, A.D. Garnovskii, Coordination motifs in modern supramolecular chemistry // Coord. Chem. Rev. 254 (2010) 794

82. M. Wang, J. Xia, L. Jin, G. Cai, S. Luc, Crystal structure and luminescence properly of novel three-dimensional network of {Eu2(p-BDC)3(Phen)2(H20)2}n H J- of Molecular Structure, 655 (2003) 443

83. Y. Wan, L. Zhang, L. Jin, S. Gao, S. Lu, High-Dimensional Architectures from the Self-Assembly of Lanthanide Ions with Benzenedicarboxylates and 1,10-Phenanthroline // Inorg. Chem., 42 (2003) 4985

84. S.P. Wang, L. J. Xu, Z. H. Gao, and R. F. Wang, Crystal structure and luminescence of a terbium complex with p-methul benzoate and 1,10-phenantroline // Коорд. Хим., 2010, 36, 794

85. M. Vestergren, B. Gustafsson, A. Johansson, and M. Hakansson, Synthesis, crystal structure, and chirality of divalent lanthanide reagents containing tri- and tetraglyme // J. of Organomet. Chem., 689 (2004) 1723