Caracterização de um cristal líquido colunar em forma de estrela, derivado do Tris(N-Feniltriazol) para aplicação em dispositivos optoeletrônicos

Abstract

Os cristais líquidos colunares ganharam recentemente considerável importância tanto no campo da pesquisa acadêmica quanto no desenvolvimento industrial devido às suas propriedades únicas de ordem e fluidez, tornando-os promissores semicondutores auto-organizados para atuação nas áreas da optoeletrônica orgânica e da eletrônica orgânica flexível. O presente trabalho tem como objetivo principal caracterizar as propriedades físicas de um cristal líquido colunar com anisometria estrelada, derivado dos tris(N-feniltriazol) (TPT) e funcionalizado com o heterocíclo 1,3,4-oxadiazol e avaliar o potencial de aplicação deste composto em dispositivos optoeletrônicos. A caracterização das propriedades mesomórficas foi realizada por microscopia óptica de luz polarizada (MOLP), calorimetria diferencial de varredura (DSC) e difração de raios X (DRX). A partir destes estudos, o material TPT-oxadiazol apresenta mesofase colunar hexagonal, com ordenamento molecular preservado à temperatura ambiente. A transição da mesofase para o estado líquido isotrópico ocorre em 339°C. Contudo, o composto apresenta degradação térmica para temperaturas acima de 300ºC. Em termos de solubilidade, o composto é solúvel em solventes orgânicos comuns, como clorofórmio, favorecendo o processamento em filme fino a partir de técnicas em solução. Em clorofórmio, o CL apresenta absorção no ultravioleta e emissão de fluorescência na região do azul, com máximo em 425 nm e rendimento quântico absoluto de ~100%. O composto TPT-oxadiazol foi depositado em filme fino por meio das técnicas de spin-coating e blade-coating. Os filmes processados pelas duas técnicas exibem morfologias distintas, mas nos dois casos, os filmes apresentam rugosidade média de superfície inferior a 10 nm. Enquanto o perfil de absorção dos filmes spin e blade-coating são semelhantes, o perfil de emissão do filme spin-coating mostra uma única banda com máximo em 476 nm, já o filme blade-coating exibe duas bandas vibrônicas de emissão. Para o filme blade-coating obtido a partir de uma concentração de 10 mg/mL, o máximo de emissão foi em 532 nm, na região do verde. Para uma mesma concentração da solução, o filme blade-coating possui espessura inferior à medida para o filme spin-coating. O rendimento quântico absoluto de fluorescência foi de 43% e 38% para os filmes spin e blade-coating, respectivamente. Na estrutura de diodo, os dispositivos ITO/PEDOT:PSS/TPT-oxadiazol /Al, com o CL depositado por spin coating (65 nm) e por blade-coating (35 nm) apresentaram fraco comportamento de diodo, com um pouco mais de uma ordem de grandeza de retificação de corrente. Para ambos os dispositivos, três regimes de condução foram atingidos nas medidas de densidade de corrente em função da voltagem aplicada: regimes ôhmico, SCLC-limitado por armadilhas e o regime VTFL de preenchimento das armadilhas. O dispositivo para o filme spin-coating apresentou eletroluminescência. O espectro de EL mostra uma banda larga com emissão de 400 a 650 nm, e máximo em 524 nm. As propriedades investigadas e resultados obtidos indicam que a aplicação do CL TPT-oxadiazol em eletrônica orgânica, especialmente em OLEDs, é promissora. Tanto o processamento dos filmes, bem como a estrutura do dispositivo, podem ser aprimoradas para gerar dispositivos mais eficientes.

Abstract: Columnar liquid crystals have recently gained considerable importance both in the field of academic research and industrial development due to their unique properties of order and fluidity, making them promising self-organized semiconductors for use in the areas of organic optoelectronics and flexible organic electronics. The main objective of the present work is to characterize the physical properties of a columnar liquid crystal with star anisometry, derived from tris(N-phenyltriazole) (TPT) functionalized with the heterocycle 1,3,4-oxadiazole and to evaluate the potential application of this compound in optoelectronic devices. The characterization of mesomorphic properties was carried out by polarized light optical microscopy (POM), differential scanning calorimetry (DSC) and X-ray diffraction (XRD). From these studies, the TPT-oxadiazole material presents a hexagonal columnar mesophase, with preserved molecular ordering at room temperature. The transition from the mesophase to the isotropic liquid state occurs a 339°C, however, the compound shows thermal degradation at temperatures above 300ºC. In terms of solubility, the compound is soluble in common organic solvents, such as chloroform, favoring thin film processing using solution techniques. In chloroform, LC exhibits ultraviolet absorption and fluorescence emission in the blue region, with a maximum at 425 nm and an absolute quantum yield of ~100%. The TPT-oxadiazole compound was deposited in thin films using spin-coating and blade-coating techniques. The films processed by the two techniques exhibit different morphologies, but in both cases, the films have an average surface roughness of less than 10 nm. While the absorption profiles of the spin and blade-coating films are similar, the emission profile of the spin-coating film shows a single band with a maximum at 476 nm, whereas the blade-coating film shows two vibronic emission bands. For the blade-coating film obtained from a concentration of 10 mg/mL, the maximum emission was at 532 nm, in the green region. For the same solution concentration, the blade-coating film has a lower thickness than that measured for the spin-coating film. The absolute quantum yield of fluorescence was 43% and 38% for the spin and blade-coating films, respectively. In the diode structure, the devices ITO/PEDOT:PSS/TPT-oxadiazole/Al, with the LC deposited by spin- coating (65 nm) and by blade-coating (35 nm) showed weak diode behavior, with a little more an order of magnitude of current rectification. For both devices, three conduction regimes were achieved in current density measurements as a function of applied voltage: ohmic, SCLC-trap-limited and trap-filled regimes. The spin-coated film device showed electroluminescence. The EL spectra show a broad band with emission from 400 to 650 nm, and maximum at 524 nm. The investigated properties and obtained results indicate that the application of LC TPT-oxadiazole in organic electronics, especially in OLEDs, is promising. Both film processing and device structure can be improved to generate more efficient devices.