OLED器件结构与发光机理PPT课件.ppt

光电显示技术B 教材 液晶与平板显示技术 作者 高鸿锦 北京邮电大学出版社 第1版2007参考书 1 平板显示技术 应根裕胡文波邱勇 人民邮电出版社2002年10月2 光电显示技术 张兴义 北京理工大学出版社19953 显示技术与显示器件 彭国贤 人民邮电出版社1981参考资料 搜索引擎 Google baidu 台湾各高校网络资源陕西科技大学等离子体课件麻省理工OLED课件 教材资料 国内相关研究所 院校 公司以及论坛 中国电子科技集团公司第五十五研究所国家平板显示工程技术研究中心南京国显电子公司东南大学显示技术研究中心陕西科技大学电气与电子工程学院京东方科技集团股份有限公司 考核方式 平时成绩 30 期末考试 70 考试方式 闭卷记分方式 百分制 OLED显示技术OLED器件结构与发光机理 1 OLED器件结构2 OLED发光机理3 OLED能量传递 OLED属于注入型发光器件 其基本结构是将有机薄膜层夹在两个电极 至少其中一个电极为透明电极 间形成的夹层式结构 为了适应材料性能和器件性能的要求 人们又研究开发了多种器件结构 这些结构在提高器件发光效率和性能稳定性方面起到了非常重要的作用 有机电致发光器件中的主要有机功能层包括 空穴传输层 HoleTransportLayer HTL 电子传输层 ElectronTransportLayer ETL 发光层 EmittingLayer EML 空穴注入层 HoleInjectionLayer HIL 空穴阻挡层 HoleBlockingLayer HBL 等 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 在器件的正极和负极间 制作有一种或多种物质组成的发光层 单层器件的发光层厚度通常在100nm 单层EL器件结构图 优点 制备方法简单 缺点 A 复合发光区靠近金属电极而靠近金属电极处缺陷多 非辐射复合几率大 而且该处的高电场容易产生发光淬灭 B 由于两种载流子注入不平衡 载流子的复合几率比较低 因而影响器件的发光效率 用途 一般不用于发光器件 主要用于测量有机材料的电学和光学性质单层器件结构在聚合物电致发光器件 PLED 中常见 聚合物分子量大 可通过旋涂方式成膜 但制备双层聚合物薄膜较为困难 因此 从加工角度讲 聚合物器件只能采用单层结构 聚合物的长分子链结构保证了聚合物薄膜的平整 均匀性 而且可以同时引入空穴基元 发光基元和电子基元 因此单层聚合物器件也可以有较好的性能 1 单层结构 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 在阳极材料的选择上 材料本身必需是具高功函数 Highworkfunction 与可透光性 所以具有4 5eV 5 3eV的高功函数 性质稳定且透光的ITO透明导电膜 便被广泛应用于阳极 在阴极部分 为了增加元件的发光效率 电子与空穴的注入通常需要低功函数 Lowworkfunction 的Ag Al Ca In Li与Mg等金属 或低功函数的复合金属来制作阴极 例如 Mg Ag镁银 OLED电极材料 2 双层器件结构柯达公司首先提出了双层有机膜结构 有效地解决电子和空穴的复合区远离电极和平衡载流子注入速率问题 使有机EL的研究进入了一个新阶段 他们的器件结构也叫DL A型双层结构 主要特点 发光层材料具有电子传输性 需要加入一层空穴传输材料去调节空穴和电子注入到发光层的速率 这层空穴传输材料还起着阻挡电子的作用 使注入的电子和空穴在发光层处发生复合 DL A型双层EL器件结构图 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 DL B型双层EL器件结构图 如果发光层材料具有空穴传输性质 就需要使用DL B型双层结构 即需要加入电子传输层以调节载流子的注入速率 使注入的电子和空穴是在发光层处复合 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 空穴传输材料应满足的要求 具有良好的空穴传输特性 即空穴迁移率高 具有较低的电子亲和能 有利于空穴注入 激发能量高于发光层的激发能量 不能与发光层形成激基复合物 具有良好的成膜性和较高的玻璃化温度 热稳定性好 可以用真空蒸发法形成致密的薄膜 不易结晶 OLED空穴传输材料 常用的空穴传输材料分子结构 TPD是最早应用的空穴材料之一 但由于其热稳定性较差 Tg 65 C 导致器件的稳定性较差 寿命较短 为提高热稳定性 将TPD分子中的甲苯基换成萘基得到了NPD NPD的热稳定性有了很大提高 Tg 96 C 空穴迁移率也有所提高 是目前应用最广的有机小分子空穴传输材料 星型三芳胺空穴传输材料具有很高的玻璃化转变温度 并能形成高质量的无定型膜 是比较理想的空穴传输材料 OLED空穴传输材料 小分子发光材料应满足的要求 具有高效率的荧光量子效率 具有良好的化学稳定性和热稳定性 不与电极和载流子传输材料发生反应 易形成致密的非晶态膜 不易结晶 具有适当的发光波长 具有一定的载流子传输能力 发光材料按分子结构特性分为有机小分子荧光材料和有机金属配合物材料 前者种类最多 典型的小分子荧光有机电致发光材料如DCM发红光 香豆素C540发绿光 OLED小分子发光材料 另外 还有掺杂用小分子荧光材料如Rubrene 有机配合物是最早使用的有机电致发光材料 具有优良的载流子传输特性和成膜性能 典型的有8 羟基喹啉铝 Alq3 及铍的络合物Bebq2 OLED小分子发光材料 1990年 剑桥大学的J A Burroughes等人首次报道了用聚合物薄膜制备的电致发光材料研究 聚合物发光材料的特性 当短波光照射时 在390nm 780nm的可见光范围内 聚合物粉末或溶液具有高效率的荧光 具有较高的导电率 呈现良好的半导体特性 具有良好的成膜特性 在几百甚至几十纳米的薄膜内基本无针孔 稳定性强 一般都具有良好的机械加工性能 OLED聚合物发光材料 共轭聚合物用于电致发光的优点 可通过旋涂的方法制成大面积薄膜 可以通过化学结构的改变或修饰来调节共轭聚合物的电子结构 发光颜色 虽然聚合物的导电率很低 但是发光层的厚度很薄 10nm 100nm 所以在很低的外电压下 加在聚合物薄膜上的电场强度也足以产生使器件发光所要求的电流密度 缺点 稳定性不够 寿命不长 发光效率低 成膜技术不成熟 OLED聚合物发光材料 电子传输材料应满足的要求 具有良好的电子传输特性 即电子迁移率高 具有较高的电子亲和能 易于由阴极注入电子 相对较高的电离能 有利于阻挡空穴 不能与发光层形成激基复合物 成膜性和热稳定性良好 不易结晶 OLED电子传输材料 三层EL器件结构图 3 三层器件结构由空穴传输层 HTL 电子传输层 ETL 和将电能转化成光能的发光层组成 HTL负责调节空穴的注入速度和注入量 ETL负责调节电子的注入速度和注入量 优点 使三层功能层各行其职 对于选择材料和优化器件结构性能十分方便 是目前有机EL器件中最常采用的器件结构之一 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 多层EL器件结构图 4 多层器件结构可提高OLED的发光亮度和发光效率 主要形式 A 在两电极内侧加缓冲层 以增加电子和空穴的注入量 B 为提高器件的发光效率 使用了空穴阻挡层HBL 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 5 染料掺杂型在单杂基础上引入染料分子以改变器件的亮度 寿命和效率 掺杂型主要有三种D 1 Cathode ETL EML HTL ITOD 2 Cathode ETL HTL EML ITOD 3 Cathode ETL EML HTL EML ITO采用分散复合膜制作OLED器件中增加载流子阻挡层 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 上发光型OLED结构穿透式OLED结构倒置式IOLED结构串联式OLED结构 Companyname 6 特殊器件结构 1 有机 聚合物电致发光器件的结构 上发光型OLED结构 下发光型实际发光面积受限需提高开口率 阴极 高透射率良好的导电度金属Mg Al ITO70 非金属CuPc Li ITO85 阳极 上发光型高功函数高反射率Al ITOAg ITO 适于采用主动矩阵设计 上发光型器件 下发光型器件 穿透式OLED结构 透明阴极极 透明度很高 85 光线能双向通过使得上下两边出光量一致优势在于不显示信息时面板是半透明的 显示信息时从两边都可以接受到信息透明OLED器件结构的引入 拓展了OLED的应用范围运用与汽车 飞机等的平板显示 Companyname 穿透式器件 倒置式结构 IOLED 与一般OLED元件的制作流程相反主要优势 适合于n 沟道a Si薄膜晶体管结合 便于制作大面积高效率的主动矩阵驱动器件缺点 电荷注入问题低功函数金属不能使用效能降低 倒置式的OLED结构示意图 串联式结构 利用透明的连接层 将数个发光元件串联起来比传统的OLED发光效率高寿命比传统OLED更长选择 设计 制作合适的连接层材料是该技术的关键缺点 驱动电压随着元件串联的数目而成倍增加增加 传统与串联式OLED技术比较 能带理论模型 相对晶体固体的能带模型来说 价带顶HOMO 分子最高占据分子轨道 导带底LUMO 分子最低未占据轨道 带隙Eg是HOMO与LUMO之间的宽度 离化能Ip是真空能级与HOMO之间的能量差 电子亲和势Ea是真空能级与LUMO之间的能量差 Eg Ea Ip LUMOHOMO 能量 2 OLED的发光机理 三层结构的OLED的能带图 2 OLED的发光机理 1 在外加电场的作用下载流子的注入 电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜注入 2 载流子的迁移 注入的电子和空穴分别从电子输送层和空穴输送层向发光层迁移 3 载流子的复合 电子和空穴复合产生激子 4 激子的迁移 激子在电场的作用下迁移 能量传递给发光分子 并激发电子从基态跃迁到激发态 5 电致发光 激发态能量通过辐射跃迁 产生光子 释放出能量 有机电致发光过程由以下五个步骤完成 电子空穴的传输过程示意图 M N分别代表空穴和电子传输材料分子 发光过程 2 OLED的发光机理 OLED器件发光过程1 载流子注入2 载流子传输3 激子的形成4 辐射发光 3 OLED的工作原理 1 载流子注入 载流子的注入是指电子和空穴通过电极 有机界面注入到有机半导体材料的分子轨道能级的过程 载流子的注入效率直接影响着OLEDs器件的启亮电压 发光效率和寿命 由于正负电极的功函数与有机材料的分子轨道能级不匹配 存在能级差 导致有机层和电极之间形成界面势垒 如上图所示 因此 电子和空穴的注入需要克服界面势垒 才能注入到有机功能层 有机功能层和电极间的势垒是影响载流子注入 器件亮度和效率的重要因素 关于载流子注入机制 目前主要有两种理论 一种为隧穿注入 另一种为热电子发射注入 Ef 金属的费米能级Evac 真空能级 m 金属的功函数EA 有机半导体材料的电子亲和势IP 电离势 B 电子从金属电极向有机半导体材料注入的注入势垒 m Evac Ef B m EA 2 OLED的发光机理 热发射注入 Richardson Schottky RS RS热电子发射模型中 电子通过吸收热声子获得能量从而翻越注入界面的势垒 如图过程1所示 RS热电子发射模型中 电流密度JRS是电场强度E和绝对温度T的函数 可以用下式表示 式中 A Richardson常数 A 4 em kB2 h3 B 没有外加电场时的注入势垒高度 eV e 单位电荷 C m 电子的有效质量 g kB 波尔兹曼常数 J K 1 h 普朗克常数 J s 材料的相对介电常数 0 真空电导率 F m 1 2 OLED的发光机理 E 电场强度 B 指前因子 隧穿注入 Fowler Nordheim FN 在FN隧穿模型中 电子在外场的作用下依照一定的几率隧穿通过三角形注入势垒 如图过程2所示 在FN隧穿模型中 B 没有外加电场时的注入势垒高度 eV e 单位电荷 C m 电子的有效质量 kg h 普朗克常数 J s 2 OLED的发光机理 一般认为 在电场强度较小而且注入势垒高度较小的情况下 载流子主要以RS热电子发射模式越过势垒 而在电场强度较大或者势垒高度较高的情况下 载流子主要以FN隧穿的方式穿过势垒 2 OLED的发光机理 2 载流子传输将注入至有机层的载流子运输至复合界面处 载流子在有机薄膜内的迁移被认为是跳跃运动 跳跃运动依靠电子云的重叠来完成 衡量有机薄膜载流子传输能力的一个主要指标是载流子迁移率 目前所使用有机小分子空穴传输材料的迁移率一般在10cm2 V s左右 而电子传输材料的迁移率相对低两个数量级 因此 开发新型高迁移率的电子传输材料是平衡载流子注入和提高载流子复合效率最有效的方法 2 OLED的发光机理 研究载流子传输过程有许多重要意义 增强材料对电子 空穴的传输效果 降低器件工作电压 增加器件内载流子密度 能增加形成激子的概率 提高器件的亮度 调整电子 空穴传输的平衡 避免或减少因器件中一种载流子数量过剩导致载流子通过器件内部传输到与注入电极相对的另一个电极而形成的漏电流 从而提高器件的效率 2 OLED的发光机理 荧光和磷光材料荧光 单线态 磷光 三线态 单线态 单线态 重原子效应 三线态 单线态 3 激子复合和辐射发光 2 OLED的发光机理 分子的多重态单重态一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态 大多数有机物分子的基态是单重态 当基态一对电子中的一个被激发到较高能级 其自旋方向不会立刻改变 分子仍处于单重态 三重态有两个电子的自旋不配对而平行的状态 激发三重态能量较激发单重态低 2 OLED的发光机理 在有机电致发光器件中 能量转移方式 单线态 单线态 三线态 三线态 单线态 三线态 三线态 单线态 对于荧光材料 它只能通过单线态 单线态能量转移的方式来利用形成的单线态激子 因此其最高内量子效率为20 最高外量子效率为5 对于磷光材料 它即能通过三线态 三线态能量转移的方式来利用形成的三线态激子 又能通过单线态 单线态能量转移方式 然后经过单线态 三线态的系间窜越来利用形成的三线态激子 因此其最高内量子效率可达100 最高外量子效率为25 目前三线态发光材料的不足之处 1 室温磷光材料较少 材料的选择范围不大 2 存在三线态 三线态淬灭 及磷光寿命长易使发光饱和 导致高电流密度下磷光器件的效率下降 3 环境氧对三线态有很强的淬灭作用 影响器件的发光强度和寿命 2 OLED的发光机理 3 OLED能量传递 1989年C W Tang等人首次报道了荧光染料DCM1 DCM2和C540掺杂主体材料Alq3的OLEDs器件 其器件的效率是没有掺杂器件的2倍左右 实现了发光颜色从蓝绿光到橙红光的调节 从此 染料掺杂技术成为改善器件发光效率和调节器件发光颜色的主要方法 1998年 Forrest等人发现了磷光电致发光现象 突破了有机电致发光材料量子效率低于25 的限制 单线态激子和三线态激子都得到了利用 都参与辐射发光 在掺杂的OLEDs器件中 主体材料与掺杂染料之间的能量传递是个很重要的物理过程 了解染料掺杂体系中的能量