有机白光器件的研究毕业论文.doc

本科生毕业设计 论文 本科生毕业设计 论文 题 目 有机白光器件的研究 姓 名 学 号 系 别 专 业 年 级 指导教师 年 月 日 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 独创性声明独创性声明 本毕业设计 论文 是我个人在导师指导下完成的 文中引用他人研究 成果的部分已在标注中说明 其他同志对本设计 论文 的启发和贡献均已 在谢辞中体现 其它内容及成果为本人独立完成 特此声明 论文作者签名 日期 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解华侨大学厦门工学院有关保留 使用学位论文的规定 即 学院有权保留送交论文的印刷本 复印件和电子版本 允许论文被查阅和借 阅 学院可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印 数字化或 其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 指导教师签名 日期 有机白光器件的研究 I 有机白光器件的研究有机白光器件的研究 摘要 OLED 技术已被广泛应用到显示和照明领域 并取得丰硕的成果 白光 OLED White Organic Light Emitting Device WOLED 是 OLED 研究领域的重点之一 在 应用方面 不仅可以直接充当照明器件 也可以制作成 LCD 显示器中的背光源以及全彩 OLED 显示器 为了获得白光 可以选择三基色原理红 绿 蓝发光染料或是互补原理的蓝 黄染料 将这些染料按照一定比例进行混合 即可产生白光 每种染料可以单独构成一个发光层 也可以由两种或多种染料混合形成一个发光层 本课题就是通过蓝加黄来实现白光 同时 利用间隔层来对器件的结构进行优化 使器件的性能达到最优 本课题用蓝光染料 DPVBi 以及黄光染料 Ir piq 2 acac 分别作为独立的发光层 用真 空热蒸镀法实验制备了结构为 ITO m MTDATA NPB CBP Ir piq 2 acac Bphen DPVBi Alq LiF Al 的白光 OLED 器件 用 Bphen 作为间隔层 进一步优化器件的结 构 当 Bphen 的厚度为 8nm 时 器件的性能最好 当电压为 13V 时 亮度达到最大值 10743 75cd m2 器件的最大电流效率为 4 35cd A 色坐标为 0 25 0 23 处于白光区域 关键词关键词 OLED Bphen 白光 间隔层 亮度 电流效率 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 II The Study of White Organic Light Emitting Diodes Abstract OLED technology has been widely applied to the display and lighting and achieved fruitful results White OLED White Organic Light Emitting Device WOLED OLED is one of the key research areas in the application not only can act as a lighting device can also be made into LCD display backlight and full color OLED displays To get white you can choose three color theory red green and blue light emitting dye or complementarity principle of blue yellow dye a certain percentage of these dyes were mixed to produce white light Each dye may constitute a single light emitting layer a light emitting layer may be formed by a mixing of two or more dyes The issue is to achieve by blue and yellow white while taking advantage of the spacer layer to optimize the structure of the device so that optimal performance of the device The issue with blue dye and yellow dye DPVBi Ir piq 2 acac as separate light emitting layer by vacuum thermal evaporation method to experiment with the structure ITO m MTDATA NPB CBP Ir piq 2 acac Bphen DPVBi Alq LiF Al white OLED device with Bphen as a spacer layer and further optimize the structure of the device whenBphen thickness 8nm the best performance of the device when the voltage is 13V the maximum brightness 10743 75cd m2 the maximum current efficiency of the device 4 35cd A Color coordinates of 0 25 0 23 in the white area Keywords OLED Bphen White Spacer Brightness Current efficiency 有机白光器件的研究 III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 有机白光器件的研究历史及应用 1 1 2 有机发光器件的原理及结构 2 1 3 白光 OLED 的制备方法 3 1 4 本论文研究意义及主要内容 4 1 4 1 研究意义 4 1 4 2 主要内容及章节安排 5 第 2 章 白光 OLED 的制备 6 2 1 引言 6 2 2 实验材料和实验设备 6 2 2 1 实验材料 6 2 2 2 实验设备 6 2 3 实验制备与表征方法 7 2 3 1 实验制备 7 2 3 2 表征方法 7 2 4 实验结果与分析 7 2 5 本章小结 9 总结 10 参考文献 11 谢辞 14 附录 1 文献翻译 15 有机白光器件的研究 1 第 1 章 绪论 1 1 有机白光器件的研究历史及应用 1987 年 美国 Kodak 公司的 C W Tang 等人 1 以 8 羟基喹啉铝 Alq3 作为发光层 后 OLED 的性能实现了重大突破 从此 OLED 逐渐引起人们的极大关注 其中有机电 致白光器件是 OLED 研究领域的一个重要课题 1994 年 Kido 等人 2 利用红光 绿光 蓝光三种发光染料掺入母体材料 PVK 中制备了第一块白光 OLED 但器件的驱动电压非 常高 器件的功率效率为 0 831lm W 随着研究的逐渐深入 白光 OLED 的性能也得到了 进一步提高 特别是 1997 年 Forrest 等人 3 首次将小分子磷光染料 platinum octaethylporphine PtOEP 应用到 OLED 中 制备出首个磷光 OLED 器件 使得 OLED 内 量子效率从荧光器件的 25 提高到近 100 基于磷光材料的白光器件成为研究的重点 2003 年 Tokito 等人 4 将磷光材料 CF3ppy 2Ir pic 和 btp 2Ir acac 分别掺杂与 CDBP 母体中 制备的白光器件外量子效率达到 12 2008 年 Nakayama 等人 4 利用光输出耦合技术制 备白光器件 当亮度为 1000cd m2时 功率效率为 64lm W 其寿命超过 10000h 2009 年 Andrade 等人 5 通过改善器件的结构 制备的白光 OLED 最大功率效率超过了 100lm W 同年 He 等人 6 报道了亮度为 1000cd m2时 寿命超过 100000h 的白光 OLED 随着 OLED 技术的不断成熟 与传统的信息显示相比 OLED 因具有成本低 主动式 发光 全固态 驱动电压低 效率高 响应速度快 视角宽及可实现柔性显示等特点在 显示领域获得人们的广泛关注 并得到了迅速发展 近几年 白光 OLED 渐渐被市场所 重视 不仅可以充当照明器件 也可以制作成 LCD 显示器中的背光源以及全彩 OLED 显 示器 如今已有相关产品进入市场 并得到人们的认可 如图 1 1 所示的 OLED 手机及电 视 图 1 1 OLED 手机及电视 毫无疑问 对于白光器件另一个应用的领域在照明方面 全固态 低功耗 绿色环 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 2 保等优点让 OLED 在照明领域前景诱人 欧洲的 Osram 推出了世界首台白光 OLED 台灯 还有诸如柯达 飞利浦等大企业都在 OLED 照明这一领域积极开发 并有相关产品进入 人们寻常生活中 如图 1 2 所示 OLED 照明产品 图 1 2 OLED 照明 1 2 有机发光器件的原理及结构 OLED 的结构主要是夹层式三明治式结构 7 10 即发光层夹在两电极之间 为改善及 提升器件的性能 加入了载流子传输层以及其他修饰界面的功能层 发展了双层至多层 器件 一般情况下有三种典型结构 单层器件 双层器件 三层和多层器件 图 1 3 单层器件 有机电致发光器件最简单的结构如图 1 3 所示 单层器件是由一个单独的有机层组成 一个高功函数且透明的材料作为阳极 这样做的原因是以便光可以透过电极 单层器件 的性能通常都是偏低的 主要因为空穴和电子在有机材料内它们的传输性能不一样 单 层的有机材料会造成载流子不平衡 复合区域很可能靠近电极 这样会受制于猝灭发射 器件效率降低 11 13 有机白光器件的研究 3 图 1 4 双层器件 对于双层器件 如图 1 4 所示 增加一层有利于一种载流子传输的功能层 会显著改 善器件的载流子平衡性 电子空穴的复合区域主要处于传输层和发光层两者界面处 远 离了电极 所以器件的发光效率明显会提高 14 18 而对于图 1 5 的三层器件结构来说 电 子以及空穴的传输性能进一步得到改善 器件的性能相对于双层器件更进一步 三层结 构是比较常用的一种器件结构 还有诸如白光 串联式的复杂的多层结构 按照需要来 设计器件的合适结构 从而使器件的效率达到最优 19 22 图 1 5 三层有机器件 1 3 白光 OLED 的制备方法 有机 EL 的白光发射 它可以通过很多种途径获得 通常情况下 从制备工艺上来讲 WOLED 要比单色器件复杂很多 而且结构设计也是各式各样 简单介绍一下 WOLED 几 种常见的制备方法 1 颜色混合法制备 WOLED 颜色混合法是当前研究得最多 也是性能最好的设计白光的方法 通常可以通过两 种互补颜色或三基色 RGB 混合来实现白光发射 要用混合光的方法可以采用制备相 互发出不用光颜色的有机层 亦可以在某一层带隙宽的材料里面掺杂其他发光材料组合 而成的混合发光有机层 特别是后者 它的应用非常广泛 经过调整各层的厚度 还有 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 4 掺杂比例等操作来控制发光的比例 这样就能达到要求的白光效率和色度 但是器件通 常包含有很多有机层 由于界面势垒会妨碍载流子的注入 所以邻近层材料的 LUMO 和 HOMO 的选择一定要匹配很好 这样才能让载流子有效传输和注入 这种方法其的优点 是 各有机层之间是相互独立的 既能够分别进行各项优化 又能充分的发挥各层其独 有的功能 器件设计本身也具有相当大的灵活性 能够最大限度地改善参数 制备出具 有高性能的器件 多重发光层和多掺杂发光 WOLED 是将颜色不同的掺杂剂按照一定的比例混合在不 同的发光层里面 再者利用不同种材料的复合发光来达到白光发射 它的原理是 在高 能带宽度的主体 供体材料里面掺杂这低能带宽的客体和受体分子 激子的能量从主体转 移到客体 使客体分子发光 主体材料能够发生完全能量转移到本身不发光 仅起传输 载流子和分散剂的作用 也可以是不完全能量转移 两者都会发光 这类器件制作是多 种多样的 可选择多掺杂 单掺杂的单层 多层器件 混合 Hybrid 式白光 OLED 利用磷光材料制备的 OLED 内量子效率 理论上它的 值可达到 100 但是蓝光磷光材料有个寿命的问题 这个问题一直都是限制 WOLED 发 展的一个瓶颈 所以利用蓝光荧光材料和其他颜色配合就可得到磷光材料组合成的混合 Hybrid 系统白光器件 在该基本思路中 通过巧妙的设计是利用荧光材料来捕获单线 态激子 提高激子的利用率可以通过磷光材料捕获三线态激子 从而实现效率和亮度的 大大提升 2 单一聚合物白光器件 这类器件的设计理念是 利用分子掺杂的物理思想 在发光分子的主链或侧链上引 入高效率发光基团 通过控制主链分子和发光基团之间能量传递 来合成可发白光的单 一聚合物 然后制作单层器件 可用喷墨 旋涂 卷对卷等廉价的湿法工艺成膜 这种 方法在制备白光 OLED 中已经有一定的应用了 23 29 不过它仍然存在稳定性差 效率低 等问题 1 4 本论文研究意义及主要内容 1 4 1 研究意义 如今有机电致发光器件在快速发展 其中白色有机发光器件也就是白光 OLED 它 逐渐成为热门研究对象 白光 OLED 它产生白光不仅高效饱和 而且它的驱动电压很低 可实现大面积显示 材料柔性很好等特点 所以在固态照明和显示等领域具有不可估量 的潜能 不仅如此 白光 OLED 的发展是要成为真正意义上的长寿命 高效率 低成本 的平面光源 白光 OLED 在性能方面虽然取得了比较大的进步 但是无论从材料本身和 器件结构等方面问题依然很多 30 46 除此之外 白光 OLED 绝大多数都是被动式驱动 有机白光器件的研究 5 的小面积器件 OLED 的应用领域在很大程度上受到了限制 所以对器件结构的进一步 改善和对材料以及制备工艺的优化显得极其有必要 本论文是以有机白光器件为研究对象 通过蓝和黄互补原理实验制备出白光器件 1 4 2 主要内容及章节安排 本论文对有机白光器件作了一定研究 实验制备出一种白光器件 章节安排如下 第一章 简单介绍了有机白光器件的研究历史与应用 同时介绍对白光 OLED 的制备方 法 第二章 实验制备一种有机白光器件 第三章 对本论文的总结 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 6 第 2 章 白光 OLED 的制备 2 1 引言 白光OLED在显示和照明两大领域都得到很好的应用 本研究就是通过蓝 黄互补色 合成白光 DPVBi作为蓝光发光层 Ir piq 2 acac 作为黄光发光层 制备出白光OLED 其 中Bphen间隔层用来调节载流子的平衡性 使器件的性能达到最优 2 2 实验材料和实验设备 2 2 1 实验材料 m MTDATA 良好的空穴注入能力 这里作为空穴注入层 NPB 常用的空穴传输层 这里作为空穴传输层 DPVBi 作为蓝光发光层 Bphen 作为间隔层 用来调节载流子的平衡性 CBP Ir piq 2 acac 主客掺杂系统 作为黄色发光层 Alq 作为电子传输层 ITO LIF Al 作为电极 2 2 2 实验设备 表 2 1 实验主要设备 设备名称型号规格厂商 多源气相沉积系统LN 1103SA沈阳立宁真空技术研究所 程控电源keithley 2400美国吉时利 亮度计LS 110柯尼卡美能达投资有限公司 微型光纤光谱仪MAYA2000PRO蔚海光学仪器 上海 有限公司 烘箱DGG 9240BD杭州卓驰仪器有限公司 等离子清洗机PDC 32G 2迈可诺技术有限公司 有机白光器件的研究 7 2 3 实验制备与表征方法 2 3 1 实验制备 蒸镀前先将 ITO 玻璃片彻底清洗 烘干并氧气等离子体处理 10 分钟后置于蒸镀室内 放入适量的材料 关闭腔门 抽真空 当真空度达到 5 10 4时 开始蒸镀操作 依次蒸 镀如图 2 1 所示的器件对应的材料及厚度 根据间隔层 Bphen 厚度不同 当 x 3nm 时 记为器件 a 当 x 5nm 时 记为器件 b 当 x 8nm 时 记为器件 c 当 x 10 时 记为器 件 d 蒸镀时 有机材料蒸镀的速率为 1 s 金属电极蒸镀的速率为 2 s LiF 蒸镀速率 为 0 03 s 对于四种器件均以相应的掩膜板图案画 图 2 1 器件结构 2 3 2 表征方法 器件制备后 尽快进行光电检测 防止器件收到外在因素的影响 用 keithley 2400 程 控电源提供电流 亮度计测量亮度 光谱仪测量光谱 整个实验制备和测试都是在超净 间及大气环境下进行的 2 4 实验结果与分析 分别测量了四个器件的电压 电流密度关系曲线 如图 2 2 所示 载流子的平衡性影 响着整个器件的性能 从图中可以看出 在一定的电压下 随着间隔层 Bphen 厚度的增 加 电流密度先增加后减小 b c 两器件表现较好 从图 2 3 中可以看出 当 Bphen 厚 度为 8nm 时 器件的亮度最大值为 10743 75cd m2 器件 c 较其余器件的亮度要大 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 8 图 2 2 电压 电流密度关系曲线 图 2 3 电压 亮度关系曲线 从图 2 4 中进一步可以看出 器件 a b c d 四个器件的电流效率最大值分别为 2 98cd A 3 09cd A 4 35cd A 3 69cd A 器件 c 的电流效率明显要高于其它器件 说明 Bphen 厚度为 8nm 时 器件载流子的平衡性最高 此时的器件性能最好 图 2 4 电压 电流效率关系曲线 有机白光器件的研究 9 器件 c 在 8V 的电压下的光谱如图 2 5 所示 明显看出光谱图中有两个发光峰 460nm 是 DPVBi 的蓝光发光峰值 640nm 是 Ir piq 2 acac 黄光发光峰值 图 2 6 给出了 四个器件的色坐标 可以发现器件 c 的色坐标为 0 25 0 23 处于白光区域 300400500600700800 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Wavelength nm Normalized intensity a u c 图 2 5 器件 c 在 8V 电压下的光谱 0 00 10 20 30 40 50 60 70 8 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Y X a b c d 图 2 6 器件 a b c d 的色坐标 2 5 本章小结 通过实验制备了一种双发光层的白光器件 用间隔层 Bphen 来调节载流子的浓度 当 Bphen 的厚度为 8nm 时 器件整体性能最好 当电压为 13V 时 器件达到最大亮度 10743 75cd m2 电流效率达到最大 4 35cd A 器件的色坐标 0 25 0 23 处于白光区域 华侨大学厦门工学院 毕业设计 论文 10 总结 本研究主要是实验制备了一种白光器件 用蓝光材料DPVBi 以及黄光材料 Ir piq 2 acac 构成双发光层 实现白光发射 器件的结构为 ITO m MTDATA NPB CBP Ir piq 2 acac Bphen DPVBi Alq LiF Al 对器件的结构进一步优化 设计了Bphen 作为间隔层 用来调节载流子的浓度 从而提高器件的性能 当Bphen的厚度为 8nn 时 器件的最大亮 度为10743 75cd m2 最大电流效率为4 35cd A 此时器件的性能最好 同时器件色坐标为 0 25 0 23 处于白光区域 有机白光器件的研究 11 参考文献 1 Tang C W VanSlyke S A Organic electroluminescent diodes Applied physics letters 1987 51 12 913 915 2 Baldo M A O brien D F You Y et al Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices Nature 1998 395 6698 151 154 3 Kim J Y Lee K Coates N E et al Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all solution processing Science 2007 317 5835 222 225 4 Gamerith S Klug A Scheiber H et al Direct Ink Jet Printing of Ag Cu Nanoparticle and Ag Precursor Based Electrodes for OFET Applications Advanced Functional Materials 2007 17 16 3111 3118 5 Cho A R Kim E H Park S Y et al Flexible OLED encapsulated with gas barrier film and adhesive gasket Synthetic Metals 2014 193 77 80 6 Chen S Deng L Xie J et al Recent Developments in Top Emitting Organic Light Emitting Diodes Advanced Materials 2010 22 46 5227 5239 7 Jeong J K Jeong J H Choi J H et al 3 1 Distinguished Paper 12 1 Inch WXGA AMOLED Display Driven by Indium Gallium Zinc Oxide TFTs Array SID Symposium Digest of Technical Papers Blackwell Publishing Ltd 2008 39 1 1 4 8 Lin Y C Shieh H P D Improvement of brightness uniformity by AC driving scheme for AMOLED display Electron Device Letters IEEE 2004 25 11 728 730 9 Xu H Luo D Li M et al A flexible AMOLED display on the PEN substrate driven by oxide thin film transistors using anodized aluminium oxide as dielectric Journal of Materials Chemistry C 2014 2 7 1255 1259 10 Wacyk I Prache O Dual mode AMOLED pixel driver a system using a dual mode AMOLED pixel driver and a method of operating a dual mode AMOLED pixel driver U S Patent 8 766 883 2014 7 1 11 De Roose F Myny K Genoe J et al Reducing Influence of Bias Stress on AMOLED Displays by Driving in Linear Regime a Sensitivity Perspective Proceedings of The International Display Workshops 2013 21 1382 1385 12 Chen H C Li X Yin Rong F U The Calculation Method of Gate Electrode Electrical Signal Delay of The OTFT OLED Based Pixel Matrix Circuit International Journal of Digital Content Technology 感谢大学四年传授我们专业知识的所有 老师 谢谢你们的教导 还有谢谢我周围的同窗朋友 他们给了我无数的关心和鼓励 也让我的大学生活充满了温暖和欢乐 另外特别感谢两位师兄陈星明和胡胜坤如果没有 他们的帮助 此次毕业论文的完成将变得困难 他们在我设计中给了我许多宝贵的意见 和建议 同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振 取而代之的是找到了最好的 方法来解决问题 他们在实验过程中团结合作 认真严谨 不畏艰苦 给了我极大的帮 助 四年来 是同学让我的大学生活变得更加丰富多彩 我们一起亲历了大学的别样生 活 愿同窗友谊之树长青 通过毕业设计 学生对自己大学四年以来所学的知识有更多 的认识 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 在这里衷心感谢指导老师吴 志军的督促指导 以及一起学习的同学们和两位师兄的支持 让我按时完成了这次毕业 设计 在此再次向吴志军老师和两位师兄陈星明和胡胜坤致以最诚挚的感谢 有机白光器件的研究 15 附录 1 文献翻译 In this latter we report a novel thin film organic device with superior EL characteristics It is efficient and can be driven to brightness by a low dc voltage In contrast to most organic EL cells which use a single layer of organic material sandwiched between two injecting electrodes our EL diode consists of a double layer of organic thin films with one layer capable of only monopolar transport The organic materials were chosen such that the morphological transport recombination And luminescent properties were compatible with the construction and operation of the thin film EL diodes In addition we used a low work function alloy prepared by vapor codeposition as the cathode for efficient electron injection The organic diode shown in Fig1 I can be operated in a continuous dc or pulsed mode It behaves like a rectifier the forward bias corresponding to a positive voltage on the ITO electrode Light emission seen only in forward bias was measurable from as low as about 2 5 V Figure 2 shows the continuous dc current vs voltage I V and the radiance exitance vs voltage B V curves The shape of the I V curves for most diodes is relatively independent of the thickness of the diamine layer but strongly dependent on that of the Alq3layer dindicating that most of the bias voltage is across the Alq3layer The I V curve can be fitted to an injecting limited model where the electron current is limited by electron emission from the cathode into the Alq3layeThe radiance exitance in Mw cm2 was measured from a diode with an emitting area of 0 1 cm2 by a radiometer EGG model 550 1 The emitting surface is Lambertian for viewing angles within 60 from the normal to the surface The brightness in units of cd m2 was separately measured by a spot photometer Minolta Luminance nt 1 3 A radiance exitance of 0 1 mW cm2 is equivalent to a brightness of 100 cd m2 for the EL diode with Alq3 as the emitter As shown in Fig 2 the EL diode can be driven to produce high brightness 1000 cd m2 with a dc voltage of less than 10 V In pulsed operation the response of the diode has a rise and decay time on the orde