【OLEDs发光原理及基本器件结构分析2500字】

OLEDs发光原理及基本器件结构分析图1.1OLEDs发光原理示意图Figure1.1ThemechanismofOLEDsemissionOLEDs作为一种有机半导体发光器件，其发光原理如图1.1所示。从图中可以看出，OLEDs发光主要分为以下四个过程。首先是载流子注入到器件内。空穴、电子在外加偏压作用下分别从阳极、阴极注入到有机半导体材料HOMO、LUMO能级上。其次是载流子传输。空穴、电子将分别经空穴传输层、电子传输层运输到发光层中。再次是载流子复合。发光层中电子、空穴通过相互作用形成激子。最后是激子在发光层中的扩散与辐射发光。图1.2邓青云等人报道的OLEDs器件结构及材料[2]Figure1.2ThestructureandmaterialsofOLEDsreportedbyC.W.Tang[2]有机半导体材料的电致发光现象早在1963年就已经有研究者对其进行了研究[3,4]。但由于当时制备的薄膜过厚、器件结构设计简单，器件效率长时间得不到有效提高，阻碍了有机发光二极管的进一步发展。而邓青云博士在1987年首次提出了以不同功能材料堆叠构建多层发光器件的器件结构设计理念，取得了有机发光二极管研究的突破性进展[2]。器件结构如图1.2所示。邓青云等人以真空热蒸镀方式在ITO基底上依次沉积空穴传输材料TAPC、电子传输材料Alq3、低功函的镁银合金阴极，制备了荧光器件，使得器件驱动电压低于10V、效率达到1%。该研究有力的推动了OLEDs的研究发展和商业化应用。1989年邓青云等人又提出了主客体掺杂的发光层设计方法[5]。他们以红色荧光染料DCMs掺杂Alq3，实现了器件发光颜色的调控和高效率荧光器件的制备，红光器件效率达到2.5%。此后，OLEDs在器件结构设计上也基本采用该设计理念，即通过合理搭配不同功能层、优化各层材料厚度、设计掺杂发光层实现高效率器件制备。如图1.3为目前一般OLEDs器件的结构示意图。接下来简单介绍各个功能层的功能及常用材料。图1.3常见OLEDs器件结构示意图Figure1.3schematicillustrationofaconventionalOLEDsstructure1.电极材料。电极材料作为实现外界载流子注入的媒介是OLEDs器件设计中必不可少的。作为电极材料不仅要求具有良好的导电性和空气稳定性，更要求其功函数和有机材料的能级匹配。在实际的研究中，我们常采用ITO玻璃作为阳极。一方面，ITO薄膜在整个可见光区具有良好的光透过性，可增强器件内部的光取出；另一方面，ITO功函数可通过plasma处理从4.5-4.8eV提高至5.1eV，从而降低ITO/有机层界面空穴注入势垒。但有机材料的LUMO能级范围一般为2.5-3.5eV，比常见的金属材料功函数高0.5eV以上。因此OLEDs器件具有更高的电子注入势垒。在实际的OLEDs器件设计中，器件阴极常使用低功函的镁银合金或电子注入材料修饰的金属铝电极。此外，OLEDs作为发光器件，为保证器件内部发光的有效取出，两侧电极材料要求一侧具有良好的光透过性，另一侧具有强的光反射能力。例如常用金属阴极铝、银在可见光区反射率能达到90%以上，具有强的光反射能力。表1.1给出了一些常用金属材料功函数。表1.1常见金属材料功函数Table1.1Theworkfunctionofconventionalmetalmaterials金属铝银金钙镁银合金功函数(eV)4.34.65.12.93.72.注入层材料。载流子注入材料直接和电极材料接触，能够起到对电极材料功函数的调节作用。其中电子注入层（ElectronInjectionLayer,EIL）修饰金属阴极降低电极功函数使之与有机材料LUMO能级匹配，常用的注入材料种类有低功函金属锂、镁等、氟化锂（LiF）、碳酸铯（Cs2CO3）等碱金属化合物、偶极材料羟基喹啉锂（Liq）等；空穴注入层（HoleInjectionLayer,HIL）则是修饰阳极材料如常用的ITO、金等，降低电极功函数和有机材料HOMO能级差，常用的修饰材料有PEIE、PEI等多氨基化合物、HATCN、PEDOT:PSS等。3.传输层材料。载流子传输材料主要是分列在发光层两侧，将外界注入的电子或空穴传输至发光层中。器件设计中通过调节传输层厚度、载流子迁移率和相邻层材料间的能级相对大小实现发光层中载流子的平衡，提高器件效率。图1.4常用的空穴传输材料（a）和电子传输材料（b）Figure1.4Examplesofholetransportingmaterials(a)andelectrontransportingmaterials(b)如图1.4所示为一些常用的传输材料。空穴传输层材料一般是咔唑类或芳胺类衍生物，该类化合物因具有电子给体基团，所以其材料的空穴传输率高、HOMO能级较浅，其中芳胺衍生物是重要的一类空穴传输材料[6]。而电子传输层材料则一般含有喹啉、嘧啶等电子受体基团，材料一般具有良好的电子传输能力和较深的LUMO能级[7]。4.阻挡层(BlockingLayer,BL)。阻挡层材料在OLEDs器件中一般具有两种功能。一是阻挡载流子，防止多余载流子泄露至传输层，有利于提高器件稳定性[8]；二是对发光层中激子进行限制，防止发光层中激子泄露至传输层，有利于实现器件高效率发光[9]。因而阻挡层的设计在器件结构中尤为重要。在材料选择方面，主要考虑阻挡层材料与发光层主体材料相对能级大小。如在选择电子阻挡层材料时，一般要求电子阻挡层材料LUMO能级和主体材料LUMO能级间的能级差不低于0.3eV。这样电子阻挡层才能实现对发光层中电子有效的阻挡。类似的，空穴阻挡层材料和主体材料HOMO能级差也不能低于0.3eV。同时为有效限制发光层中激子，阻挡层材料还应具有高的高的三重态（TripletState,T1）、单重态能级（SingletState,S1）。此外，阻挡层常应用于蓝光器件的构建中，这主要是因为蓝光器件发光层中激子能量高，若激子不能有效的限制在发光层，会降低器件效率低和稳定性[10]。如图1.5为常用的阻挡层材料，表1.2为阻挡层材料有关的能级数值。图1.5常用的阻挡层材料Figure1.5Examplesofblockinglayermaterials表1.2常见阻挡层材料能级Table1.2Theenergylevelofconventionalblockinglayermaterials材料TSPO1DPEPOmCBPCZSiHOMO(eV)6.86.16.06.0LUMO(eV)2.52.02.42.5T1(eV)3.43.12.93.05.发光层（Emittinglayer,EML）。发光层作为OLEDs器件的核心。其中发生的物理化学过程复杂，载流子的复合、激子的产生、扩散、辐射发光均在发光层中进行。因此有关发光层的研究和构建较为复杂。目前，OLEDs器件发光层主要采用主客体掺杂方式构建。采用主客体掺杂方式具有以下三个方面的好处：一是主客体掺杂方式降低了发光材料的浓度猝灭效应，有利于提高器件效率；二是主客体掺杂方式将激子的产生和激子的辐射发光分别分离到主体、客体分子上，有利于器件稳定性提高；三是由于激子的产生和激子辐射发光分别分离到主体、客体分子上，从而有利于通过掺杂方式调节OLEDs器件发光颜色。主客体掺杂的发光层设计一般从客体材料入手，根据客体材料单重态、三重态能级大小、分子吸收光谱确定主体材料。主体材料的选择主要考虑两个方面的内容。一是能量传递。共振能量转移是OLEDs发光层中主要的能量转移形式。其