OLED有機電致發光材料與器件

2022-09-23 16:03:04 字數 4707 閱讀 7549

1、有機材料中載流子輸運(縱波、孤子) p16~p17

與無機半導體或單晶材料不同的是,有機半導體中並沒有延續的能帶,有機半導體的結構中都會有去定域化的π電子,這些電子比較自由,但也只被侷限在分子之內,因此,跳躍式的理論最常被用來說明電荷在有機分子間傳遞的現象,即在一電場的驅動下,電子在被激發或被注入至分子的lumo能級後,經由跳躍至另一分子的lumo能級,以達到傳遞的目的。

需要特別指出的是,電荷並不只是簡單地以電子或空穴存在於這些有機分子中,而是帶電荷的位置會伴隨化學鍵長和結構而變形。因此,乙個電子或空穴加上變形區形成乙個單位一起移動,此單位稱為極化子。

有機半導體由於電子或空穴的移動往往伴隨著結構的變形(核的運動),所以有機半導體中的自由電子或空穴的遷移率一般比無機半導體或金屬中的低。

2、oled結構(從能級匹配分析) p27~p29

發光層(eml)、電子/空穴輸運層(e/htl)、阻隔層(bl)、電子/空穴注入層(e/hil)、激子幽禁層(ecl)

激子:在光躍遷過程中,被激發到導帶中的電子和在價帶中的空穴由於庫侖相互作用,將形成乙個束縛態,稱為~。而激子的復合導致發光。

淬滅:在這裡,淬滅是指在螢光過程中,光子產生的數量在很短的時間內衰減或者消失。

ps:空穴阻隔是因為阻隔層的homo能級比發光層高,因此在eml和bl間會產生很大的能壘,空穴的傳遞會被阻擋在發光層與阻隔層的介面,增加了空穴在介面的濃度,如此可增加電子、空穴在發光層發生復合的機率。而這些阻隔層的三重態激發態的能隙也要比發光層大,才可防止能量轉移至電子輸運層而消光。

3、oled發光原理(主發光、摻雜、主客體關係) p23、p14

步驟一:當施加一正向外加偏壓,空穴和電子克服介面能壘後,經由陽極和陰極注入,分別進入空穴輸運層(htl)的homo能級和電子輸運層(etl)的lumo能級;

步驟二:電荷在外部電場的驅動下,傳遞至空穴輸運層和電子輸運層的介面,因為介面的能級差,使得介面會有電荷的累積;

步驟三:當電子、空穴在有發光特性的有機物質內復合,形成處於激發態的激子,此激發態在一般的環境中是不穩定的,能量將以光或熱的形式釋放出來而回到穩定態的基態,因此電致發光是乙個電流驅動的現象。

處於高激發能態的分子,可以把能量傳給低能態的分子,此過程稱為能量轉移,此機制在多成分摻雜系統時常常發生,含有較高能態的主發光體可以將能量轉移到客發光體,又可叫摻雜劑中。

摻雜客放光體作用:(1)修改電致發光的顏色;(2)增加整個oled器件的發光效率;(3)增加器件的壽命。

4、oled發光效率與發光顏色(色度座標) p30~p35

出光率ηc:外部量子效率與內部量子效率之比。

外部量子效率:在觀測方向,射出器件表面的光子數目與注入電子輸入的比率。

內部量子效率:排除波導效應後發光層實際的發光效率。

發光效率ηl(電流效率):al / ioled = 光強/電流密度,其中a為oled的有效面積,l為oled的光強度(亮度)[cd/m2],ioled為oled電流。

發光功率效率ηp:lp / ioledv =π×發光效率/電壓,lp為oled的發光功率,v為oled獲得ioled的驅動電壓。

cie色度座標:oled的發光顏色可以用ciex·y1931色度座標來判別與定義,說明一光源的顏色與在給定照明情況下物體表面所反射的光的顏色。

在色度座標圖中馬蹄型範圍內為可見光譜的所有顏色,馬蹄型邊緣則為飽和的單色波長。此系統以光色座標(x,y,z)標示,圖上僅有x及y座標,由恒等式x+y+z=1可匯出z。(例如,ciex·y=0.

4476,0.4075)

**部分通稱白光,因為大部分光源所發出的光皆通稱白光,以光源的色表溫度或相關色溫度指稱其光色相對白的程度,從而量化白光源的光色表現。

色溫:黑體加熱到出現與光源相近或接近光色時的溫度,定義為該光源的相關色溫度,簡稱~,以熱力學溫度k為單位(k=℃+273.15)。

色域:在顯示器的應用上,一般會先定義出r、g、b三原色在ciex·y色度座標上的位置,三角形內灰色的區域即是顯示器可以表現的色彩或稱為~,其優劣可由色彩飽和度來判定。

色彩飽和度:通常是用顯示器的色域面積除以ntsc色彩規範定義的色域面積所得到的百分比,數字越高越好。

5、陰極材料(能級、代表性材料) p37~p40

由於大部分應用於電致發光的有機材料的lumo能級在2.5~3.5ev,及homo能級在5~6ev,因此陰極必須是乙個低功函式的金屬;同理,陽極則需要用乙個高功函式的材料去配合,才可能得到最低的注入勢壘。

當金屬功函式越小時,與高分子lumo能級的能壘愈小,注入能壘愈小的器件,其起始電壓愈低。且功函式與金屬的晶面也有很大的關係。

代表性材料:低功函式的如鹼金屬跟鹼土族金屬或鑭系元素(2.63~4.

70ev)都可用來作為有機發光二極體的陰極材料。為了克服低功函式金屬具有高度化學活性的問題,利用各種低功函式金屬與抗腐蝕金屬的合金(如mg:ag及li:

al)來作為陰極材料,而且此類合金一般具有較好的成膜性與穩定性。

6、陽極材料(能級、代表性材料) p41~p43

先決條件:(1)良好的導電性;(2)良好的化學及形態的穩定性;(3)功函式需與空穴注入材料的homo能級匹配。當用作下發光或透明器件的陽極時,另乙個必要條件就是在可見光區的透明度要高。

氧化銦錫(ito):最常被當做陽極導電體的金屬氧化物,功函式一般在4.5~4.

8ev,相當穩定、導電性優良而且透光性好。利用氧等離子體、紫外光臭氧處理清潔ito表面,可使ito的功函式增加至5ev以上,並增進與有機層介面間的接合性質,增加空穴的注入,降低驅動電壓,更重要的是可以增加器件的穩定性與壽命。

氧化銦鋅(izo):5.1~5.2ev。

7、空穴注入與輸運材料(空穴的特點,代表性材料) p43~p47

空穴注入材料:介於ito/htl能級之間加入一層空穴注入材料,將有利於增加介面間的電荷注入,最後還能改進器件的效率與壽命。有機的空穴注入材料主要是引入homo能級與ito功函式最匹配的結構,因此有時會與空穴輸運層材料混合採用,有機的空穴注入材料常常也具有空穴輸運能力。

常見的空穴注入材料:cupc、tnata、polyaniline、pedot、hat

幫助空穴注入的方法:(1)利用能級的匹配;(2)將空穴輸運層摻雜氧化劑可以造成p型摻雜效果,此p型摻雜層可以當作有效的空穴注入層;(3)在ito上蒸鍍一層非常薄(0.5~2nm)的絕緣物質(緩衝層)。

空穴輸運材料:要求:(1)高的耐熱穩定性;(2)在htl/陽極介面中要減少能壘;(3)自然形成好的薄膜形態。

常見空穴輸運材料:以聯苯為核心的三芳香胺,最廣為使用的是npb。

8、電子注入與輸運材料(電子在有機材料中輸運) p48~p70

電子注入材料(eim):幫助電子從陰極注入有機層的材料,以便能使用抗腐蝕的高功函式金屬,如最常用的al和ag作為陰極。

常見電子注入材料:鹼金屬化合物,0.3~1.

0nm,如氧化鋰(li2o)、氧化鋰硼(libo2)、矽氧化鉀(k2sio3)或碳酸銫(cs2co3)及鹼金屬醋酸鹽類(ch3coom)。還有鹼金屬氟化物(mf),1.0nm,常用lif。

電子注入機制:(1)隧道貫穿效應;(2)介面偶極子;(3)水分子的存在會降低鋁的功函式;(4)水分子存在時的化學反應;(5)lif在alq3、lif及al共存下解離;(6)熱力學可行的分解反應

電子輸運材料:p52

電子在有機材料中輸運:電子在非晶態的有機薄膜中傳遞,主要是靠電子在各分子間的lumo能級間跳躍,而這些能級的分布,往往屬於高斯分布,分布半高寬約在0.1ev左右。

如果電荷是在具有陷阱的材料中傳遞時,此種電荷傳遞模式也會表現出分布式的特性。所謂陷阱指的是擁有比母體更容易接受電子或空穴的能級位置,此陷阱可以是材料本質上擁有的,也可以是外來的。

9、螢光發光材料(紅、藍、綠)(螢光的概念) p81、p134

發光系統的核心理念:利用主、客發光體的分子設計,能級與介面的合理搭配,將載流子的輸送、導電功能與其發光機制分開,並個別地改善並使之最佳化,最終的目的是使oled發光體能夠達到最好的電功能與發光效率。

當電子、空穴在有機分子中發生復合後,會因電子自旋對稱方式的不同,產生兩種激發態的形式。一種是非自旋對稱的激態電子形成的單重激發態形式,會以螢光的形式釋放出能量回到基態。而由自旋對稱的激發態電子形成的三重激發態形式,則是以磷光的形式釋放能量回到基態。

(常溫下很難觀察到磷光)

10、三重態發光機制與代表性材料(r、g、b)(三重態的概念) p135~p137

根據理論推測,由電荷的復合而引起的單重激發態與三重激發態的比例為1:3。

能量轉移的方式:(1)frster能量轉移:由較長距離的偶極子-偶極子感應的方式來傳遞能量;(2)dexter能量轉移:

由較短距離的電子交換的方式來傳遞能量,只發生在單重態對單重態和三重態對三重態間的能量轉移,且該程式是較緩慢的。在磷光器件的發光層中,,再經由磷光發光體內部快速的系間跨越將單重激發態的能量轉換到三重激發態,進而放出磷光,因此內部量子效率可將近100%。

載流子捕捉方式:激發的能量除了由主發光體轉移到客發光體的方式外,也可經由載流子捕捉的方式來激發客發光體,就是電子與空穴直接在客放光體上覆合形成frenkel形式的激子(frenkel激子是指電子-空穴對是在同乙個分子內),進而激發客發光體來放光。

通常能量轉移與載流子捕捉這兩種方式是同時存在的,只是依照情況的不同,某一機制會成為主要的發光機制。

11、載流子平衡 p168~p172

電子、空穴的復合率(γ)是影響oled器件發光量子效率因素中乙個極為重要的因素。盡量使電子、空穴注入平衡,讓γ值趨近於1.0,是提高量子效率的最佳手段之一。

目前,對於增進oled器件載流子平衡的方法主要可以分為三大方向:(1)使用適當的電子、空穴注入材料來平衡注入的載流子;(2)電子、空穴輸運材料的改良,進而改變載流子在有機輸運材料的遷移能力,來達到平衡;(3)由器件的結構的改善來達到載流子平衡。

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