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Magnetic field effect in organic light emitting diodes

Niedermeier, Ulrich :
Magnetic field effect in organic light emitting diodes.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetic field effect in organic light emitting diodes
Language: English
Abstract:

The discovery of a magnetic field dependent resistance change of organic light emitting diodes (OLEDs) in the year 2003 has attracted considerable scientific and industrial research interest. However, despite previous progress in the field of organic spin-electronics, the phenomenon of the "organic magnetoresistance (OMR) effect" is not yet completely understood. In order to improve the understanding of the microscopic mechanisms which ultimately cause the OMR effect, experimental investigations as well as theoretical considerations concerning the OMR are addressed in this thesis. In polymer-based OLED devices the functional dependencies of the OMR effect on relevant parameters like magnetic field, operating voltage, operating current and temperature are investigated. Based on these results, previously published models for potential OMR mechanisms are critically analyzed and evaluated. Finally, a concept for the OMR effect is favored which suggests magnetic field dependent changes of the spin state of electron-hole pairs as being responsible for changes in current flow and light emission in OLEDs. In the framework of this concept it is possible to explain all results from own measurements as well as results from literature. Another important finding made in this thesis is the fact that the value of the OMR signal in the investigated OLED devices can be enhanced by appropriate electrical and optical conditioning processes. In particular, electrical conditioning causes a significant enhancement of the OMR values, while at the same time it has a negative effect on charge carrier transport and optical device characteristics. These results can be explained by additional results from charge carrier extraction measurements which suggest that electrical conditioning leads to an increase in the number of electronic trap states inside the emission layer of the investigated OLED devices. The positive influence of trap states on the OMR effect is furthermore emphasized by measurements of the OMR effect under illumination with infrared light as well as by theoretical considerations in the scope of the electron-hole pair concept. Finally, it is demonstrated that the enhancement of the OMR values achieved in OLED devices after electrical or optical conditioning can largely be reversed by appropriate annealing. This suggests that the conditioning procedures do not cause a permanent degradation of the OLEDs. Hence, it is speculated that morphological modifications inside the emission layer of the devices might be a possible explanation for the observed consequences of device conditioning.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Entdeckung einer magnetfeldabhängigen Widerstandsänderung von organischen Leuchtdioden (OLEDs) im Jahr 2003 hat großes wissenschaftliches und industrielles Forschungsinteresse hervorgerufen. Dieser "organische Magnetowiderstandseffekt" (OMR-Effekt) ist jedoch trotz bisheriger Fortschritte auf dem Gebiet der organischen Spin-Elektronik ein noch nicht vollständig geklärtes Phänomen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der experimentellen Charakterisierung sowie mit einer möglichen theoretischen Beschreibung des OMR-Effektes und leistet damit einen Beitrag zum besseren Verständnis der mikroskopischen Vorgänge, die dem Effekt zugrunde liegen. In Messungen an OLED-Bauteilen auf Polymerbasis werden die Abhängigkeiten des OMR-Effektes von wesentlichen Parametern wie Magnetfeld, Betriebsspannung, Betriebsstrom und Temperatur untersucht. Anhand dieser Ergebnisse werden in einer kritischen Analyse bisher veröffentlichte Modellvorstellungen zu möglichen Mechanismen des OMR-Effektes bewertet. Nach dieser Analyse wird ein Konzept zur Erklärung des OMR-Effektes favorisiert, das eine magnetfeldabhängige Änderung des Spinzustandes von Elektron-Loch-Paaren als Ursache für Veränderungen im Stromfluss und der Lichtemission in OLEDs vorschlägt. Im Rahmen dieses Konzeptes können sowohl alle eigenen Ergebnisse als auch Messungen aus der Literatur erklärt werden. Eine wesentliche Erkenntnis der vorliegenden Arbeit ist darüber hinaus die Tatsache, dass sich die Größe des OMR-Effektes in den untersuchten OLED-Bauteilen durch geeignete elektrische und optische Konditionierungsprozesse erhöhen lässt. Insbesondere die elektrische Art der Konditionierung führt zu einem deutlichen Anstieg der OMR-Werte, wirkt sich zugleich aber negativ auf den Ladungstransport und die optischen Kenndaten der OLEDs aus. Diese Ergebnisse können durch zusätzliche Messungen zur Ladungsträgerextraktion erklärt werden, die nach einer elektrischen Konditionierung eine Zunahme der Anzahl elektronischer Fallenzustände in der Emissionsschicht der untersuchten OLEDs nahelegen. Messungen des OMR-Effektes unter Beleuchtung mit Infrarot-Strahlung sowie theoretische Überlegungen im Rahmen des Elektron-Loch-Paar-Konzeptes unterstreichen zudem den positiven Einfluss von Fallenzuständen auf den OMR-Effekt. Zum Schluss der Arbeit wird gezeigt, dass die Erhöhung der OMR-Werte nach elektrischer oder optischer Konditionierung durch geeignete Erwärmung der Bauteile größtenteils wieder rückgängig gemacht werden kann. Dies lässt darauf schließen, dass die Konditionierungsprozesse keine permanente Degradation der OLEDs verursachen. Als mögliche Erklärung für die Auswirkungen einer Konditionierung werden daher Änderungen der Morphologie innerhalb der Emissionsschicht der Bauteile vorgeschlagen.German
Uncontrolled Keywords: Organic magnetoresistance, OMR, Magnetic field effect, OLED, PPV, Conditioning, Charge carrier traps
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Organic magnetoresistance, OMR, Magnetic field effect, OLED, PPV, Conditioning, Charge carrier trapsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Elektronische Materialeigenschaften
Date Deposited: 19 Jan 2010 11:53
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20189
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: von Seggern, Prof. Dr. Heinz and Alff, Prof. Dr. Lambert
Refereed: 14 December 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2018
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