有机电致发光材料

有机电致发光材料,电致发光(EL)是指发光材料在电场作用下，受到电流电压的激发而发光的现象，是一种直接将电能转化为光能的过程。有机电致发光是指由有机光电功能材料制备成的薄膜器件在电场的激发作用下发光的现象。根据制备功能薄膜所采用的发光材料的不同，可分为：有机电致发光二极管（OLED）聚合物电致发光二极管（PLED）,基本概念,1).1953年，Bernanose等第一次发现了有机物中的电致发光现象；1963年美国纽约大学的Pope等人也观察到了晶体蒽薄膜的电致。,蒽,2).1982年Vincett的研究小组制备出厚度蒽的薄膜，并观测到电致发光。,驱动电压30V，但是器件的量子效率很低，小于1,特点：(1)单层器件；(2)驱动电压高；(3)器件效率低,电致发光的发展,4).1990年，Burroughs等人将共轭聚合物聚对苯基乙烯（PPV）制作了高分子发光二极管，简化了制备工艺，开辟了发光器件的又一个新领域，即聚合物薄膜电致发光器件。,3).1987年美国Kodak公司的邓青云等采用了夹层式的多层器件结构，开创了有机电致发光的新的时代。,近十多年里,OLED作为一种新型显示技术已经取得了长足的发展，就器件的发光亮度、发光效率和寿命而言，OLED器件已经基本达到了实用的要求。发光效率：10lm/W；稳定性：亮度为100cd/m2时，工作寿命大于1万小时；发光寿命：绿光器件达8万小时，黄光器件达3万小时，蓝光器件达8千小时；最大尺寸：已经超过40英寸。,有机电致发光二极管(OLED),全固态器件,自发光型,无真空腔,无液态成分,不怕震动,使用方便；响应速度快(微秒量级)，视角宽(大于160度)，工作温度范围宽(-4080)；有机电致发光材料可选范围广,容易得到全色显示；亮度，效率高；直流驱动电压低，能耗少，可与集成电路驱动相匹配；制作工艺简单，成本低；可实现超薄的大面积平板显示；良好的机械加工性能,可做成柔性显示器。,OLED的特点,PLED,即第二种有机发光材料为高分子聚合物，也称为高分子发光二极管(PLED)，由英国剑桥大学的杰里米伯勒德及其同事首先发现。聚合物大多由小的有机分子以链状方式结合在一起，以旋涂法形成高分子有机发光二极管。,聚合物电致发光二极管(PLED),作为一种发光显示材料，聚合物发光二极管(PLED)材料具有很强的应用潜力，因为它是一种自发光的材料，并且还具有制作相对容易的优点。因此在制作有机发光二极管器件(OLEDs)时，PLED材料是一种很好的基本材料，因为与小分子OLED材料2025的发光效率相比，PLED材料的发光效率则为3040。,介绍：在器件的阴极和阳极间，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。优点：制备方法简单。缺点：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；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。,单层EL器件结构图,器件的结构类型,单层结构,介绍：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，使有机电致发光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。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。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。,双层结构,DL-B型双层EL器件结构图,DL-A型双层EL器件结构图,三层EL器件结构图,介绍：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器件中最常用的器件结构之一。,三层结构,多层EL器件结构图,特点：可提高OLED的发光亮度和发光效率。形式：在两电极内侧加缓冲层，以增加电子和空穴的注入量；为提高器件的发光效率，使用了空穴阻挡层HBL。,多层结构,在外界电压的驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机物中复合而释放出能量，并将能量传递给有机发光物质的分子，使其受到激发，从基态跃迁到激发态，当受激分子从激发态回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。,器件的发光原理,1.载流子的注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到夹在电极之间的有机功能薄膜层。2.载流子的迁移：注入的电子和空穴分别从电子传输层空穴传输层向发光层迁移。3.载流子的复合：电子和空穴结合产生激子。4.激子的迁移：激子在电场作用下迁移，将能量传递给光分子，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失活，产生光子，释放能量。,OLED器件发光过程,载流子迁移率：载流子迁移率是指载流子（空穴或电子）在单位电场作用下在给电定材料中的平均漂移速度，是载流子在电场作用下运动速度的量度，载流子的漂移速度与迁移率成正比关系。量子效率：有机电致发光器件的量子效率可用外量子效率和内量子效率来评价。外量子效率是指发光器件输出的光子数与注入的电子数之比；内量子效率则是产生于器件内部的光子数与注入的电子数之比。能量效率与功率效率：有机电致发光器件的能量效率是指向器件外部辐射的光功率与外加的电功率之比。功率效率是指器件每单位面积输出的光通量与输入电功率之比。器件寿命：器件寿命是指有机电致发光器件实际能够使用的时间长度，通常以小时表示。,器件主要性能指标,介绍：有机电致发光材料是有机电致发光器件的核心组成部分，材料的热稳定性、光化学稳定性、量子效率、成膜性和结晶性等都对制作器件有很大的影响。有机电致发光材料需要满足的条件：良好的半导体性质，有较高的载流子迁移率固体薄膜状态下应具有高的荧光量子效率，荧光激发光谱主要分布在400700nm的可见光区域内，光色要纯良好的成膜性，适合真空蒸镀成膜良好的热稳定性及机械加工性能,发光材料,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。,小分子电致发光材料,聚合物发光材料的特性:当短波光照射时，在390nm780nm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。,聚合物材料,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。,Alq3,金属配合物发光材料,有机电荷传输材料包括电子传输材料和空穴传输材料。在外电场作用下，当有载流子（电子或空穴）注入时，在其分子间可以进行载流子的定向迁移从而实现电荷传输过程。通常，由于电荷传输材料具有较大的共轭结构或是有机金属配合物，因此也具有发光性质。,电荷传输材料,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。,电子传输材料,一般来说，电子传输材料都是共扼平面的芳香族化合物，他们大都有较好的接受电子能力，同时在一定正向偏压下又可以有效地传递电子。目前己知的性能优良的电子传输材料并不多，其中一个原因是存在着电子捕获。噁二唑及其衍生物，吡啶，硫酰噻吩等常用作这种材料，许多金属配合物同时具有发光和电子传输特性，可以兼作电子传输材料，如8-羟基喹啉铝（Alq3）。,常用的空穴传输材料分子结构,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。,空穴传输材料,在多层结构的OLED器件中，空穴的传输速率要大于电子的传输速率，这样就造成空穴和电子复合形成激子的比例不对等，为了提高载流子的输入效率，而且需要尽可能地使传输到发光层的载流子比例达到平衡。其方法是在阴极和电子传输层之间插入电子注入层，在阳极与空穴传输层之间插入空穴注入层。,电荷注入材料,电子注入材料可以作为电子注入层材料的有金属盐、金属氧化物或其掺杂的电子传输材料。其作用是提高电子从阴极注入电子传输层和发光层的效率。研究较多的电子注入材料是碱金属氟化物系列。空穴注入材料空穴注入层材料一般选择有机或无机半导体材料。其作用是降低界面势垒，提高空穴注入效率，延长器件的寿命。常见的空穴注入材料有金属酞菁化合物，三苯胺和C60等。,阴极和阳极是整个器件的支撑，电极材料是OLED器件实现发光功能的基础，为了实现电子和空穴分别有效地注入有机材料功能层，电极与有机材料必