有机电致发光器件简介演示幻灯片

1,有机电致发光器件简介,郝玉英,太原理工大学物理与光电工程系,2009.9.16,2,3,有机电致发光研究的背景及主要应用,4,1987，C.W.Tangetal.Alq3wasusedasemittingmaterialanddiaminederivativeasholetransportmaterial.,1963，Popeetal.Anthracenewasusedasemittingmaterial,C.W.Tang,有机电致发光的发展历程,1990J.H.Burroughsetal.PPVwasusedasELmaterial,1998S.R.Forrestetal.PtOEPdopedinAlq3wasusedasELmaterial,StephenR.Forrest,5,Visible-OLED：DisplaysandLightingUV-OLED:OpticalSensoranddetectorIR-OLED:OpticalCommunication,有机电致发光器件(OLED)的主要应用领域,6,用于显示和照明OLED产品,7,31-inchOLEDTVprototype(Samsung，2005),8,有机微显示器件,800lines/inch，30line/mm;硅CMOS驱动，4V工作电压;要求顶发射；工艺难度大，国际上只有两个公司能做彩色微显示器件；,尺寸小分辨率高功耗低,可穿戴电脑,头戴式DVD影院,9,10,液晶上下两层玻璃主要是用来夹住液晶，下层玻璃长有薄膜晶体管(Thinfilmtransistor,TFT)，而上层玻璃则贴有彩色滤光片(Colorfilter)。这两片玻璃在接触液晶的那一面并不是光滑的，而是有锯齿状的沟槽。这个沟槽的主要目的是希望长棒状的液晶分子沿著沟槽排列，如此一来，液晶分子的排列才会整齐。因为如果是光滑的平面，液晶分子的排列便会不整齐，造成光线的散射，形成漏光的现象。但是在实际的制造过程中，并无法将玻璃做成如此的槽状分布，一般会先在玻璃表面涂布一层PI(polyimide)，再用布磨擦(rubbing)，使PI的表面分子不再杂散分布，依照固定而均一的方向排列。而这一层PI就叫做配向膜(alignmentfilm)，提供液晶分子呈均匀排列的介面条件，让液晶依照预定的顺序排列。,11,12,日本sony发明的世界第一款OLEDTV只有3mm（2008年）,13,14,OLEDvs.LED,OLED:AreaSourceSoftLight,LED:PointSourceBrightLight,15,OLEDefficiency,CFL：70-90lm/WLED:50-130lm/WOLED已获得大于100lm/W的效率，已与无机LED相抗衡,16,有机电致发光光源,面光源,不刺眼,适于室内照明,车内照明,景观照明等,17,传统OLED的结构,18,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,HTL,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,ETL,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,Lightout,HTL,ETL,双层结构,三层结构,单层结构,Appl.phys.Lett.1987,51:913;Appl.Phys.Lett.1989,55(15):1489;Jpn.J.Appl.Phys.1988,27(4):L713,Lightout,Lightout,Lightout,双层结构,19,HIL:空穴注入层HTL:空穴传输层EML:发光层ETL:电子传输层EIL:电子注入层,OLED的多层结构,20,Anode：透明、导电、高功函数HIL:适合的能级、空穴传输、改善界面接触HTL:高空穴迁移率、高的玻璃化温度、小空穴注入势垒，大的电子注入势垒EML:高发光效率，限制载流子在发光层，高的玻璃化温度ETL:高电子迁移率，小的电子注入势垒，大的空穴注入势垒，高的玻璃化温度EIL:电子注入Cathode：低功函数,OLED功能层材料要求,21,Appl.phys.Lett.1987,51:913,22,23,非掺杂式OLED的发光机理,24,OLED的发光机理,双注入式复合发光,25,Electroluminescentmechanism,OLED的发光机理,双注入式复合发光,载流子注入,载流子传输,激子的形成,激子的迁移,发光,exciton:singletandtriplet(1:3),26,HOMO-LUMOenergygapdetermineswavelengthofemittedradiation.,27,主客发光体系统（掺杂器件）的发光机理,28,1、Frster能量转移（库仑作用力方式）,由dipole-dipole作用，距离较长(50-100)，此种转移方式只能使客体转移成singletstate。,29,电子交换，需要电子云重叠或分子接触，分子间的距离最多只能是几个埃。须符合Wigner-Witmer选择定则(交换前后自旋不变，即只发生单重态对单重态和三重态对三重态的能量转移),2、Dexter能量转移,30,31,32,3、主客发光体系统的另一发光机制-载流子捕陷的方式,当客发光体掺杂在能隙较大的主发光体中，且客发光体的HOMO和LUMO或其中之一被包含在主发光体的HOMO/LUMO能级内，电子和空穴不易注入到主发光体，而容易直接注入到客发光体，在客发光体上复合形成Frenkel激子，进而产生客发光体发光。,33,traps,34,OLED结构的优化设计,35,OLED的结构设计-优化器件性能,设计原则：载流子注入平衡、传输平衡各功能层能级匹配,单层结构：电子与空穴的注入势垒接近，发光材料为双极传输材料，电子迁移率与空穴的迁移率接近,ITO,阴极,36,OLED双层结构,发光材料具有电子传输性能，插入空穴传输层，电子在界面处被阻挡并积累，而空穴容易注入发光层，电子和空穴在界面处复合,发光材料具有空穴传输性能，插入电子传输层，空穴在界面处被阻挡并积累，而电子容易注入发光层，电子和空穴在界面处复合,37,OLED三层结构,ITO,阴极,HTL,EML,ETL,电子受到空穴传输层的阻挡，空穴受到电子传输层的阻挡，使电子与空穴限制在发光层中，提高电子与空穴复合的几率,38,EML,n-ETL,pinOLED结构,39,-改善电子的注入和传输能力-在电子传输层中掺杂活泼金属如Li,Cs-易氧化，扩散采用氧化物如Cs2O,Al2O3,TiO2作为电子注入层采用碱金属卤化物如LiF作为电子注入层MnO-电子注入和传输材料-在空气中稳定（绝缘体），避免了活泼掺杂物易氧化的问题,电子的迁移率远小于空穴的迁移率：1/1000,40,电子传输,电子注入,Appl.Phys.Lett.,2008,93：133301,41,电流密度，亮度电子传输Alq3:MnO器件Alq3器件电子注入-MnO器件LiF器件,42,43,功率效率电子传输Alq3:MnO器件Alq3器件电子注入-MnO器件LiF器件,44,微腔OLED能有效提高色纯度和效率,45,46,PrincipleoftandemOLEDwithp-njunctionCGL,p-dopedHTL,n-dopedETL,p-dopedHTL,n-dopedETL,p-dopedHTL,n-dopedETL,47,48,49,2010年报道的串联式OLED,50,51,由于有机层的折射率（1.7-1.85），玻璃的折射率（1.49左右）比空气的折射率大的多，所以发光层产生的光有很大一部分以波导形式限制在这两层中。根据各层膜折射率的不同可以把发光层产生的光分成如图的四个模式。另外，由于发光层的位置靠近金属阴极，激子能量也会有一部分以非辐射跃迁的形式传递给金属而损耗掉。,根据射线光学计算出只有约20%的光耦合到器件外部。,52,Highlightout-couplingbysubstratemodification,通过改变原有光的传播途径，可以提高OLED器件的光取出效率。,53,激子的有效利用-磷光OLED,54,55,激发态的多重性,在激发三重态中，电子和电子之间的排斥作用小于激发单重态的电子，所以激发三重态的能量小。,56,光致荧光和磷光,Singlet:Triplet=1:3Max（FL）:Max（PL）=1:3,singletlifetime(10-9s10-7s)tripletlifetime(10-3s100s),57,Holeinjection,Electroninjection,Electron-holerecombination,Transporting,Exciton,25S,75T,Radiation,Groundstate,IC,Electrophophorence,EF(Electro-fluorescence)andEP(Electro-phosphorence),Electro-fluorescence,100,Radiation,58,电子/空穴复合形成singletandtriplet激子,ExperimentallydeterminedsingletfractionforAlq3basedOLEDs=223%M.A.Baldo,et.al.,Phys.Rev.B(1999),Dopant,Emission,Expectedsingletfractionbasedonsimplespinstatistics=25%Energytransfersfromhost/matrixexcitonicstatestodopantconservespin.Phosphorescence(tripletemission)isformallyaforbiddenprocess.,!?!,Dopanttrapsexcitonandemits,59,60,61,Heavymetalfacilitatedtripletemission,Strongspin-orbit-couplingmixessingletandtripletMLCTstates,M=Ir,Pt,Os,Re,etc.MLCT=metaltoligandchargetransfer,LC=ligandcentered,S0groundstate,1MLCT,3MLCT,Ligandcenteredtriplet3LC,62,63,400NPD,200Ir(ppy)3inCBP,60BCP,200Alq3,ITO,MgAg,excitonformationregion,Ir(ppy)3,M.A.Baldo,et.al.,Apl.Phys.Lett.,1999,+,OrganometallicIrPhosphor,CBP,BCP,64,ExternalquantumefficiencyofIr(ppy)3inCBP,65,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,2,10,3,0.1,1,10,Externalquantumefficiency(%),Currentdensity(mA/cm2),6%Ir(ppy)3inCBP,ExternalquantumefficiencyofIr(ppy)3inCBP,positionofdopantHOMOleadstocarriertrapping/transportatthedopantcarrierrecombinationatthedopantincreasesOLEDefficiency,6%Ir(ppy)3inCBPNOBCPlayer,-NPD,BCP,Alq3,ITO,MgAg,IrppyLUMO,Irppy,66,有机电致白光器件,67,68,OLEDinnovationsinlight,69,70,Approachestofabricatingahigh-efficientWOLED,71,72,WOLEDwiththreecolormix(multi-QW),73,74,75,HighefficientdeviceschemesforPhosphorescentWOLEDs,ext=(10.80.3)%500cd/,p=(22.10.3)%lm/w,Separateenergytransfer,S.R.Forrest,et.al.,Nature,2006,76,HighefficientdeviceschemesforWOLEDs,Leo,et.al,Nature,2009,Powerefficiencyof90lmW-1at1000cd/m2.(potentialtoberaisedto124lmW-1)AnexcellentCRIof80Abrightnessof1000cdm-2slightlyabove3Vand10000cdm-2are