umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optical analysis of light-emitting electrochemical cells
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (OPEG)ORCID iD: 0000-0002-1903-9875
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (OPEG)ORCID iD: 0000-0003-3481-5163
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (OPEG)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics. (OPEG)
2019 (English)In: Scientific Reports, ISSN 2045-2322, E-ISSN 2045-2322, Vol. 9, article id 10433Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The light-emitting electrochemical cell (LEC) is a contender for emerging applications of light, primarily because it offers low-cost solution fabrication of easily functionalized device architectures. The attractive properties originate in the in-situ formation of electrochemically doped transport regions that enclose an emissive intrinsic region, but the understanding of how this intricate doping structure affects the optical performance of the LEC is largely lacking. We combine angle- and doping-dependent measurements and simulations, and demonstrate that the emission zone in our high-performance LEC is centered at ~30% of the active-layer thickness (dal) from the anode. We further find that the emission intensity and efficiency are undulating with dal, and establish that the first emission maximum at dal ~ 100 nm is largely limited by the lossy coupling of excitons to the doping regions, whereas the most prominent loss channel at the second maximum at dal ~ 300 nm is wave-guided modes.

Place, publisher, year, edition, pages
Nature Publishing Group, 2019. Vol. 9, article id 10433
National Category
Nano Technology Condensed Matter Physics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-156092DOI: 10.1038/s41598-019-46860-yISI: 000475845400037PubMedID: 31320711Scopus ID: 2-s2.0-85069470003OAI: oai:DiVA.org:umu-156092DiVA, id: diva2:1285742
Note

Originally included in thesis in manuscript form.

Available from: 2019-02-05 Created: 2019-02-05 Last updated: 2019-08-08Bibliographically approved
In thesis
1. On the operation of light-emitting electrochemical cells
Open this publication in new window or tab >>On the operation of light-emitting electrochemical cells
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

We are in the midst of a technological revolution that permeates nearly all human activities; artificial light is one of the most visible contributors in this societal change. If more efficient, green, and versatile light sources can be developed, they might improve the life of millions of people around the world while causing minimal damage to our climate and environment. The unique operational mechanism of the light-emitting electrochemical cell (LEC) makes it an ideal fit for some unconventional and emerging uses of light, in for example medicine and security.

By exploiting this operational mechanism, in which mobile ions enable electrochemical doping of a luminescent polymer, we have designed and fabricated new bilayer LEC architectures. The bilayer LEC features patterned light emission that is easily adjustable during fabrication, and that can be configured to suit new applications of light. Given the light-emitting nature of the LEC, it is somewhat surprising that the optical understanding of its operation is rather limited. To fill this knowledge gap, we investigate how the optical properties of the luminescent polymer respond to electrochemical doping. We find that the complex-refractive index spectrum in the active layer of an LEC, as a direct result of the doping, varies in both space and time. The thin-film structure of an LEC implies that computational predictions of its luminous output need to consider internal reflections and interference. Finally, we implement a doping dependent optical thin-film simulation model. It enables us to precisely replicate the experimental luminance and angle-dependent emission spectrum for a range of LECs with different thicknesses. Using the model we can also identify and quantify many of the different optical loss mechanisms in LECs, which has not previously been done. The insights that we have collected on the path towards our present model will be useful for computational determination of device parameters that are otherwise difficult to acquire.

The improved understanding of the optical operation of LECs is important for the maturation of the technology, as it facilitates formulation of relevant and accurate research questions. Hopefully, our results will accelerate the development of the field, so that useful products based on this technology can become available in the not too distant future.

Abstract [sv]

Just nu pågår en teknologisk revolution som genomsyrar nära nog alla samhällsfunktioner, och där artificiellt ljus har en påfallande viktig roll. Nya ljuskällor, som är mer miljövänliga, effektiva och mångsidiga, skulle kunna förbättra livskvaliten för miljoner människor över hela världen, utan att för den skull skapa problem för vår miljö och vårt klimat. Den ljusemitterande elektrokemiska cellen (LEC) är en teknik som fungerar på ett unikt sätt. Det gör att den är lämplig för nya och okonventionella användningsområden av ljus, exempelvis inom medicin och säkerhetsprodukter.

Vi har kunnat designa och tillverka en ny sorts dubbellagers-LEC genom att utnyttja den interna funktionen i en LEC. Den innebär att rörliga joner möjliggör elektrokemiska oxidations- och reduktionsprocesser (dopning) av en lysande polymer. En dubbellagers-LEC lyser i mönster som enkelt kan anpassas utefter önskemål, och skulle kunna användas i nya sorters ljusapplikationer. Med tanke på att en LEC är en lysande komponent är förståelsen för dess optik förvånansvärt begränsad. För att förbättra dessa kunskaper börjar vi med att undersöka hur den lysande polymerens optiska egenskaper förändras när den dopas. Vi finner att dess optiska egenskaper varierar i tid och rum i det aktiva skiktet i en LEC, som en direkt följd av dopningen. För att sedan med hjälp av de optiska egenskaperna kunna beräkna hur mängden ljus påverkas, måste vi också ta hänsyn till att ljus i tunna skikt kan reflekteras vid gränsytor och interagera med sig själv. Slutligen implementerar vi en dopningsberoende optisk beräkningsmodell för tunna skikt, och lyckas återskapa den experimentellt uppmätta luminansen och de vinkelberoende ljusspektrumen för en serie LECer med olika tjocklek. Utifrån modellen kan vi också identifiera och kvantifiera många av de olika optiska förlustkanalerna i en LEC, vilket inte gjorts tidigare. Vägen fram till den nuvarande modellen har bjudit oss på en rad insikter som gör att vi beräkningsmässigt kan uppskatta komponentegenskaper som annars skulle förbli okända, då de inte går att mäta med direkta metoder.

Den förbättrade optiska förståelsen för LEC-tekniken är viktig för forskningen inom fältet. Våra resultat kan förhoppningsvis accelerera utvecklingen mot bra och användbara produkter, så att dessa blir tillgängliga inom en inte alltför avlägsen framtid.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå Universitet, 2019. p. 63
Keywords
Artificial Light, Organic Electronics, Light-emitting Electrochemical Cells, Electrochemical Doping, Thin-film Optical Model, Optical Modes
National Category
Nano Technology Other Physics Topics Condensed Matter Physics
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-156093 (URN)978-91-7855-000-5 (ISBN)
Public defence
2019-03-01, Lilla hörsalen, KB.E3.01, KBC-huset, Umeå, 09:15 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Foundation for Strategic Research Swedish Energy AgencyÅForsk (Ångpanneföreningen's Foundation for Research and Development)Knut and Alice Wallenberg FoundationThe Kempe FoundationsSwedish Research Council
Available from: 2019-02-08 Created: 2019-02-05 Last updated: 2019-02-06Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7461 kB)106 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7461 kBChecksum SHA-512
8dae706a50f927d2b18df1957b9e3682015a7041db03a887c60ce53893d0b0db90df9abf1d2d6c0274e7271d83b2fe4b2156ce2bd47e2fc1b086d7b91a1dab8b
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Authority records BETA

Lindh, E. MattiasLundberg, PetterLanz, ThomasEdman, Ludvig

Search in DiVA

By author/editor
Lindh, E. MattiasLundberg, PetterLanz, ThomasEdman, Ludvig
By organisation
Department of Physics
In the same journal
Scientific Reports
Nano TechnologyCondensed Matter Physics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 106 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 340 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf