（材料物理与化学专业论文）有机发光器件制备工艺及光电性能研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 有机发光器件 ( o l e d )具有色彩丰富、效率高、亮度强、寿命长、体积轻、能耗 低以 及响应速度快等许多卓越优点， 被认为是新一代平板显示器( f p d) 的有力竞争者， 己 经成为当前发光显示领域的研究热点之一。本文围绕 o l e d制备工艺及其性能优化 这一主题， 从理论和实验两个方面， 对有机薄膜制备、 膜厚控制、 器件制作及其结构优 化等关键技术进行了深入而系统的研究。 采用8 4 3 基喳琳铝 ( a i g 3 ) 作为发光材料， 研究了o l e d真空蒸镀法制备工艺， 确 定了合适的蒸镀工艺条件。 实验结果表明: 有机薄膜的沉积速率、 淀积系统的真空度以 及 i t o衬底的温度等制备工艺参数对 o l e d的光电性能具有显著性影响。当空穴传输 层的沉积速率为。 . 3 n m / s ，电子传输层和发光层的沉积速率为。 .3 - 0 .4 n m / s ，并且淀积 系统真空度和i t o衬底温度都较高时，所制备的o l e d具有较好的器件性能。 通过测试器件的光电性能， 研究了氧等离子体处理对 o l e d性能的影响以及氧等离 子体处理的时效性。研究表明:氧等离子体处理能够明显提高 i t o阳极的功函数，有 效改善o l e d的发光亮度、 效率和寿命等器件性能。 但是， i t o的氧等离子体处理表现 出明显的时效性，即氧等离子体处理后的 i t o阳极的功函数将随放置时间的增加而迅 速降低， 当放置时间为2 1 h 时， 其功函数与未经氧等离子体处理的i t o阳极差别甚微。 利用聚对苯乙炔 ( p p v)的可溶性衍生物发光材料 me h - p p v ，研究了聚合物发光 器件 ( p l e d )的旋涂制备工艺以 及影响p l e d器件性能的几个重要因素。聚合物旋涂 膜厚控制是制备p l e d的难点和关键之一， 为了有效控制聚合物的旋涂膜厚， 运用析因 实验方法研究了旋涂制备工艺中各工艺因素对聚合物膜厚的影响， 并在此基础上， 采用 中心复合实验设计和最小二乘法， 通过对实验数据进行计算机拟合， 建立了聚合 物旋涂 膜厚模型。 研究聚合物膜厚和退火工艺条件与p l e d器件性能关系的实验结果表明: 对 于单层p l e d ,聚合物发光层的最佳膜厚约为9 0 - 1 0 0 n m:同时退火处理能够有效地改 善p l e d的光电性能，其优化退火工艺条件为退火温度1 7 0 0 c ， 退火时间1 h o 研究了o l e d有机层界面性质，分析了有机层界面性质对o l e d器件性能的影响， 提出了o l e d空间电荷极化模型。o l e d的阻抗一 电压、电容一 电压以及电容一 频率测量 结果表明: 器件的阻抗和电容与外加电压密切相关; 测量电容与测量频率之间存在明显 的德拜松驰效应。不论 o l e d 外加电压为正向偏压还是反向偏压时，有机层界面均存 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 在着电 荷聚集现象。当o l e d外加正向偏压时，有机层界面电荷聚集密度与器件结构， 特别是器件的电极性质密切相关，它是影响 o l e d器件性能的重要因素之一，并且有 机层界面聚集的电荷密度越小， 那么o l e d的器件性能则越好。所提出的o l e d空间 电 荷极化模型能够很好地解释有机器件界面电荷聚集和测量电容与频率之间的关系。 以f o w l e r - n o r d h e im ( f - n ) 隧穿 理论为基础， 建立了o l e d的理论模型，数值模拟 结果与实验数据基本相符。器件结构参数与 o l e d性能关系的模拟和分析表明:势垒 参数是影响器件内部载流子复合效率的关键因素， o l e d器件各功能层之间的能级匹配 对于提高器件性能是至关重要的。 在对有机薄膜制备、 膜厚控制以 及器件制作等关键技术进行深入研究的基础上， 设 计研究了多种结构的o l e d器件，重点探讨了实际o l e d器件的发光效率，提出了削 弱或消除有机层之间的界面效应是改善 o l e d器件性能的有效方法，详细分析了器件 的光电性能，并且利用发光动力学理论推导了 o l e d 发光亮度与驱动电流之间的函数 关系。 光度学理论和几何光学模型计算器件发光效率的结果表明:在 o l e d电致发光 中，从器件中射出的有用光能只占 1 7 .6 3 %，光的波导效应不可忽视。与传统型结构和 混合 层结构的o l e d相比， 互掺过渡层结构的o l e d由于有效地削弱了光的波导效应 和有机层之间的界面效应， 器件性能更为优越。因此， o l e d的结构优化是改善器件光 电性能的一个关键因素。 关键词: 有机发光器件电 致发光 有机薄膜制备工艺 器件性能 优化 - 目 - 一一一一. 一- 盆 i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t o r g a n i c l i g h t - e m i tt i n g d e v i c e ( o l e d ) i s a v e r y a t t r a c t i v e c a n d i d a t e a s t h e n e x t g e n e r a t i o n fl a t p a n e l d i s p l a y s ( f p d ) . i t h a s i n t e n s i f i e d r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t i n b o t h a c a d e m i c a n d i n d u s t r i a l l a b o r a t o r i e s o n a g l o b a l b a s i s , b e c a u s e o l e d h a s e x c e l l e n t f e a t u r e s s u c h as f u l l c o l o r , h i g h e ff i c i e n c y , h i g h b r i g h t n e s s , l o n g l i f e t i m e , l i g h t w e i g h t a n d l o w p o w e r c o n s u m p t i o n . j u s t f o c u s i n g o n t h i s s p o t , t h i s p a p e r a i m s a t s y s t e m a t i c s t u d y i n g s u c h k e y t e c h n i q u e s as t h e p r e p a r a t i o n s o f o r g a n i c t h i n f i l m s , t h e f i l m - t h i c k n e s s c o n t r o l , t h e o l e d f a b r i c a t i o n a n d i t s s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n fr o m t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l as p e c t s . u s i n g t r i s ( 8 - h y d r o x y q u i n o l i n e ) a l u m i n u m ( a l g 3 ) a s t h e l i g h t - e m i tt i n g m a t e r i a l , th e o l e d f a b r i c a t i o n b y t h e v a c u u m e v a p o r a t i o n w a s s t u d i e d , a n d t h e o p t i m i z e d e v a p o r a t i o n c o n d i t i o n w as d e f i n e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e b e tt e r d e v i c e p e r f o r m a n c e c o u l d b e o b t a i n e d u n d e r t h e d e p o s it io n r a t e o f h o l e t r a n s p o rt l a y e r a t a r o u n d 0 .3 n m / s , t h e d e p o s it i o n r a t e o f e l e c t r o n t r a n s p o rt l a y e r a n d e m i tt i n g l a y e r a t a r o u n d 0 .3 - - 0 .4 n m / s , t h e f a b r i c a t i o n p r o c e s s a t lo w e r b as e p r e s s u r e a n d i t o s u b s t r a t e a t h i g h e r t e m p e r a t u r e . i t i n d i c a t e s t h a t t h e o p t i c a l a n d e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e v i c e i s g r e a t ly i n f l u e n c e d b y t h e d e p o s i t i o n r a t e s o f o r g a n i c l a y e r s , t h e b as e p r e s s u r e o f d e p o s i t i o n s y s t e m , a n d t h e t e m p e r a t u r e o f i t o s u b s t r a t e . t h e n , t h e e ff e c t o f o x y g e n p l a s m a t r e a t e d i t o a n o d e o n t h e d e v i c e e l e c t r o l u m i n e s c e n t c h a r a c t e r i s t i c s , a n d t h e a g e i n g v a r i a t i o n o f t h e w o r k f u n c t i o n o f i t o a n o d e t r e a t e d b y o x y g e n p l as m a , w e re i n v e s t i g a t e d th r o u g h m e a s u r in g t h e o p t i c a l a n d e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d e v i c e . i t i s f o u n d t h a t o x y g e n p l as m a t r e a t m e n t o b v i o u s l y i n c r e a s e s t h e w o r k f u n c t i o n o f i t o a n o d e , s o a s t o a c c o r d i n g l y i m p r o v e t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e . h o w e v e r , t h e w o r k f u n c t i o n o f i t o a n o d e d e c r e as e d w i t h t h e i n c r e m e n t o f s t o r a g e t i m e a ft e r s u r f a c e t r e a t m e n t s . a ft e r e l a p s in g 2 1 h , n o s i g n i f i c a n t d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e u n t r e a t e d a n d t r e a t e d i t o s u b s t r a t e c o u l d b e o b s e r v e d , i m p l y i n g t h a t o x y g e n p l a s m a t r e a t m e n t o f i t o a n o d e h a s t h e t a n g i b l e a g e i n g v a r i a t i o n . t h e p o l y m e r l i g h t - e m i tt i n g d e v i c e ( p l e d ) p r e p a r a t i o n p r o c e s s b y s p i n - c o a t i n g m e t h o d , a n d t h e f a c t o r s o f e ff e c t o n t h e p l e d p e r f o r m a n c e , w e r e r e s e a r c h e d u s i n g p o l y 2 - m e t h o x y - 5 - ( 2 - e t h y l h e x y l o x y ) 一 1 , 4 - p h e n y l e n e v i n y l e n e ( me h - p p v ) o f e l e c t r o l u m i n e s c e n t m a t e r i a l . i n o r d e r t o e ff e c t i v e l y c o n t r o l t h e f i l m t h i c k n e s s s p i n - c o a t i n g f o r p l e d , t h e e f f e c t o f s p i n - c o a t i n g c o n d it i o n s o n t h e p o l y m e r f i l m - t h i c k n e s s w a s s t u d i e d u s i n g f a c t o r i a l e x p e r i m e n t m e t h o d . f u r th e r m o r e , t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e f i t a n d t h e p o l y m e r f i l m - th i c k n e s s 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 s p i n - c o a t i n g w a s m o d e l e d b y t h e l e a s t s q u a r e s a n d c e n t r a l c o m p o s i t e d e s i g n . i t c o u l d b e s u g g e s t e d f r o m t h e s t u d y o f t h i c k n e s s - p e r f o r m a n c e r e l a t i o n t h a t t h e o p t i m u m f i l m - t h i c k n e s s o f p o l y m e r i s a r o u n d 9 0 - 1 0 0 r im f o r s i n g l e - l a y e r p l e d . t h e e x p e r im e n t a l r e s u l t s a l s o i n d i c a t e t h a t t h e t h e r m a l a n n e a l i n g c a n e n h a n c e t h e p l e d p e r f o r m a n c e o f o p t i c a l a n d e l e c t r i c a l . o p t i m i z i n g t h e a n n e a l i n g c o n d i t i o n s ( 1 7 0 0 c 1 h ) w a s d i s c o v e r e d . t h e i n t e r f a c i a l p r o p e rt y o f o l e d a n d i t s i n fl u e n c e o n t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e w e r e s t u d i e d , a n d t h e m o d e l o f s p a c e c h a r g e p o l a r i z a t i o n w a s p u t f o r w a r d . t h e m e a s u r e d r e s u l t s o f i m p e d a n c e - b i a s , c a p a c i t a n c e - b i a s a n d c a p a c it a n c e - f r e q u e n c y r e v e a l t h a t t h e im p e d a n c e a n d t h e c a p a c i t a n c e o f d e v i c e s t r o n g l y d e p e n d o n t h e a p p l i e d b i a s , a n d t h a t t h e m e a s u r e d c a p a c it a n c e i s c lo s e l y r e l a t e d t o f r e q u e n c y s h o w i n g d e b y e r e l a x a t io n p r o c e s s . a d d i t i o n a l ly , t h e r e i s a c c u m u l a t e d c h a r g e p h e n o m e n o n a t t h e o r g a n i c i n t e r f a c e u n d e r b o t h f o r w a r d a n d re v e r s e b i a s . t h e d e n s i t y o f a c c u m u l a t e d c h a r g e a t t h e o r g a n i c i n t e r f a c e u n d e r f o r w a r d b ia s , o n e o f t h e m a i n f a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e , i s c l o s e l y r e l e v a n t t o t h e d e v i c e s t r u c t u r e , e s p e c i a l l y t h e d e v i c e c a t h o d e p r o p e r ty . t h e l e s s t h e d e n s i t y o f a c c u m u l a t e d c h a r g e , t h e b e t t e r t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s c a n b e a d e q u a t e l y e x p l a i n e d b y t h e m o d e l o f s p a c e c h a r g e p o l a r i z a t i o n p r o p o s e d . b a s e d o n t h e f o w l e r - n o r d h e i m ( f - n ) t u n n e l i n g i n j e c t i o n t h e o r y , a m o d e l f o r c a r r i e r s t r a n s p o rt a n d r e c o m b i n a t i o n i n o l e d w a s p re s e n t e d . n u m e r i c a l s im u l a t i o n a n d a n a l y s i s o n o l e d p e r f o r m a n c e w e r e p e r f o r m e d . s i m u l a t e d r e s u l t s a r e in a c c o r d a n c e w i t h t h e e x p e r i m e n t a l d a t a . o n t h e b a s i s o f t h e i n v e s t i g a t i o n in t o k e y t e c h n i q u e s o n t h e o r g a n i c t h i n f i l m s p r e p a r a t i o n s , f i l m - t h i c k n e s s c o n t r o l a n d d e v i c e f a b r i c a t i o n , t h e o l e d d e v i c e s w i t h d i ff e r e n t s t r u c t u r e w e r e d e s i g n e d a n d s t u d i e d , t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e w a s a n a l y z e d , a n d t h e l u m i n e s c e n t e f fi c i e n c y o f t h e f a b r i c a t e d o l e d w a s f u r th e r e x p l o r e d . t h e r e s u lt s o f t h e s t u d y b y m e a n s o f p h o t o m e t r y a n d r a y - o p t i c s m o d e l s u g g e s t t h a t o n l y 1 7 .6 3 % o f t h e o p t i c a l e n e r g y e m itt e d b y e a c h e l e c t r o l u m i n e s c e n c e m o l e c u l e s w a s c o u p l e d o u t , h e n c e , t h e w a v e g u i d i n g e f f e c t i s b y n o m e a n s i g n o re d . t h e d e v i c e p e r f o r m a n c e o f m u t u a l d o p e d t r a n s i t i o n a l l a y e r w a s e v i d e n t l y i m p r o v e d b e c a u s e t h e w a v e g u i d e i n g e ff e c t a n d i n t e r f a c e e ff e c t w e r e e l i m i n a t e d e ff e c t i v e l y , c o m p a r e d w i t h t h a t o f c o n v e n t i o n a l d e v i c e a n d b l e n d i n g d e v i c e . t h e r e f o r e , t h e k e y t o t h e i m p r o v e m e n t o f o l e d d e v i c e p e r f o r m a n c e l i e s in o p t i m i z i n g i t s s t r u c t u r e . k e y w o r d s : o r g a n ic l i g h t - e m i tt i n g d e v i c ee l e c t r o l u mi n e s c e n c e o r g a n i c t h i n f i l m f a b r i c a t i o n p r o c e s sd e v i c e p e r f o r m a n c e o p t i mi z a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果口 尽我所知，除文中已 经标明引用的内容外， 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日 期 : 扮令 年了月习 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于/ 不保密叮几 ( 请在以上方框内打 “, / ) 学位论文作者签名娜阵 咱指导教师签名: 日 期 ， 沪午 年 y月二 ! 日 日 ” : y l 丁月2 乙 日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 绪论 1 . 1 引言 随着以计算机和通信为核心的信息网络的迅猛发展， 以及移动信息终端产品市场的 迅速扩大，作为人机视频界面的平板显示器件 ( f d p )展现出良 好的市场前景和发展前 途，己经成为 2 1 世纪最令人瞩目的电子产品领域之一。传统的显示器件如阴极射线管 ( c r t ) 体积大、 笨重、 驱动电 压高、 有软x射线污染; 而液晶显示器 l c d) 响 应慢、 视角窄、 属被动发光， 它们己 经不能满足当今信息时代的发展要求。因此， 探索性能更 加完善的发光光源和发光显示器成为当今研究的焦点。 有机发光器件 ( o l e d)具有色彩丰富、主动发光、体积小、厚度薄、视角宽、能 耗低以 及响 应速度快等许多卓越优点， 因此它将成为新一代光源和平板显示器的有力竞 争者。1 9 9 2年，有机电致发光 ( e l )薄膜在美国被评为该年度化学领域的十大成果之 一; 1 9 9 5 年，日 本通过了“ 科学技术基本法”，明 确规定将o l e d列为研究重点 之一， 并提出2 0 1 5年前研制出壁挂式超薄型有机 e l显示屏的目 标。美国加利福尼亚大学的 h e e g e r 和宾夕 法尼亚大学的m a c d i a r m i d 和日 本 筑波大学的s h i r a k a w a , 由 于对有机导电 聚合物的发现和发展做出了杰出贡献而被授予 2 0 0 0年度诺贝尔化学奖。总之，o l e d 由于具有巨大的潜在应用前景而受到全球科学家和企业界的高度重视， 是当前发光显示 领 域 的 研 究 热 点 之 一 d -3 1 1 . 2 有机 e l的发展历程 以 碱命属卤 化物及z n s 等材料为代表的场致发光早为人知， 但是， 这种无机e l 器 件很难获得高亮度的蓝光发射， 因此， 人们把眼光转向具有高荧光量子效率的有机材料。 最 早 关 于 有 机e l 研 究的 论 文发 表于1 9 6 3 年， p o p e 等 人(3 2 似电 解 质溶 液为电 极， 在 葱 单晶的两侧加4 0 0 v直流电压时，首次观察到了葱的蓝色电致发光，拉开了有机e l 研 究的 序 幕. 1 9 6 5 - 1 9 6 6 年， h e l f r ic h 和m e h l 等 人 3 3 .3 5 对 葱 单晶 的 电 致 发光 做了 进 一 步的 研 究。 1 9 6 9 年， d r e s n e r 等 人 3 6 在o l e d中 引 入了 固 体电 极， 解 决了 电 解 质溶 液电 极 制 作 工 艺 复 杂 的 问 题。 1 9 7 3 年， v i ty u k 等 人 3 7 在o l e d制 备中 ， 采 用了 真 空 沉 积 的 葱 薄 膜替 代了 单晶。 1 9 8 2 年， v i n c e tt等人3 8 使 用金 和铝分别作为阳 极和阴极、以 真 空蒸 镀 的0 . 6 u m厚的 葱薄膜作为发光层制作了o l e d ， 在大约3 0 v的 驱动电压下获得了电 致 一户 一一一-一-一-一-一一-一甲一一一 i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 发光。这些研究结果表明:利用有机e l制作大面积平板显示器已经成为可能。但是， 这一阶段的o l e d，其发光亮度和发光效率仍然很低，并且需要较高的驱动电压。 1 9 8 7 年， o l e d 的 研 究 工 作 取 得了 实 质 性 进 展 。 美国 柯 达 公 司的t a n g 等 人 i 以 芳 香 二 胺t p d作为空穴传输层、 8 4 1 基喳琳铝a l g a 作 为发光层，制作了驱动电 压低 ( 小于i o v) 、发光 效率高( 1 . 5 l m / w ) 、 亮度强 ( 1 0 0 0 c d / m ) 的薄膜 o l e d ，其器件结构如图 1 . 1 所示。由于这种超薄 平板器件驱动电压低， 可实现全色显示，引起了人 们的极大关注，从而使有机 e l获得了划时代的发 展 1 9 8 8 年，日 本 九 州 大 学 的a d a c h i 等 人 (3 9 , 4 0 1在 器件中引入了电 子传输层制成了三层夹心结构， 降 低了器件的驱动电压并提高了器件的发光效率和 稳定性， o l e d的器件性能得到了进一步改善。 mg : a g ( 1 0 : 1 ) b - 基哇琳铝 芳香二胺 玻璃衬底 图1 . 1 经典o l e d 结构示意图 1 9 9 。 年， 英 国 剑 桥 大学b u r r o u g h s 等 人 2 1首 次 报道了 以 共 辘聚 合 物材 料 聚 对 苯乙 炔 ( p p v ) 作为发光层所制作的聚合物发光器件 ( p l e d) ，在直流低电压 ( 大约 1 4 v) 驱 动 下 发出 明 亮的 黄绿光， 其量子效率 约为0 .0 5 % 0 1 9 9 1 年， 美国 加州 大学的h e e g e r 等 人3 , 19 1 采用p p v衍生物m e h - p p v制备了发桔黄色光的p l e d ， 并接着又研制出了 具有 柔软显示特性的p l e d . 随后， 利用p p v衍生物以及其他聚合物材料制成的p l e d不断 涌 现， 掀 起了p l e d研 究的 热 潮(a i- ls l a p l e d的 研究 及 其 迅 速发 展标 志 着 有 机e l 的 研 究进入了一个崭新的发展阶段。 1 .3 o l e d的特点 o l e d的最大应用前景在于它是一种新型的平板显示器件。目 前实际 应用的显示器 件有c r t . l c d和无机e l 器件等， 但是， 它们各自 都存在不同程度的缺陷而制约其使 用条件。与它们相比， o l e d可以克服这些缺陷，从而更具竞争力。 c r t 具有发光效率高、 寿命长、 造价低等优点而早已 得到了广泛应用。 但是， 其体 积庞大、无法实现真正的平板显示，而且驱动电压高、存在软 x射线污染。而 o l e d 则可以大大减小器件的体积，真正实现超薄显示。另外它的驱动电压低，功耗小，可以 与集成电路驱动相匹配。 l c d由于具有超薄显示和功耗低等优点已经被广泛地应用于仪表、 手机、 笔记本电 脑等的显示器上。但是，l c d属于被动发光，需要背光源;视角范围小，响应速度慢; 制作工艺复杂: 并且受环境温度和机械振动等外界因素的影响大。 而o l e d则为主动发 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 光， 对比 度 好， 视角宽， 响 应速 度快 ( 1 0 -1 8 ) , 耐 冲击， 受外界 环 境因 素影响小， 同 时， 器件制作也相对简单。 无机 e l器件早己实现了商品化，其主要材料是m- v族元素和1 1 一 班族元素形成的 半导体，如g a a s , z n s和 s i c等，但其加工困难且造价昂贵，无法实现大面积显示， 而且制作发射蓝光的无机 e l器件受到现有材料的限制，从而难以实现全色显示。而 o l e d不仅可以同时实现低驱动电 压和超薄大面积平板显示， 而且选材范围广， 容易实 现全色显示。与无机e l器件相比，o l e d还具有易于处理、可加工成不同形状、机械 性能良 好以及成本低廉等优点。 等离子体显示 ( p d p )是一种新的平板显示器件，它是通过气体在电场作用下发出 等离子体来激发荧光材料发光。但是，其制作工艺精度要求高，易产生象素交叉效应， 能量效率低，并且造价昂贵。而o l e d则可实现低成本生产。 另外，o l e d还具有另一个方面的应用前景，即可制成大面积的平板光源。由于 o l e d的 发 光 亮 度高 4 9 1 ， 可以 用来 作为l c d等 显示器的 背光 源， 甚至还可能 用来 制作 平 板 激 光 光 源 5 0 1 总之， 作为新一代具有强大竞争能力和广泛应用前景的平板显示器件， o l e d具有 如 下 特 点 1-3 ,8,3 8 ,3 9 ,5 0 -5 2 1 . ( 1 ) 可以 代替 c r t , l c d , l e d ， 实现器 件全固化、轻量化、 平板化、薄型化、 低成本生产，可大幅度节省空间，方便携带; ( 2 )可以制作大面积、高亮度的平面光源，甚至是平面激光光源: ( 3 )发光材料繁多，发光色彩丰富，发光颜色覆盖整个可见光区: ( 4 )功耗小，马 区 动电压低，可与集成电路相匹配: ( 5 )制作工艺简单，应用范围广，产品的性能价格比高; ( 6 )与l c d相比，克服了液晶被动显示、视角范围小、响应速度慢等不足，它的 响应速度是l c d的 1 0 0 0 倍以上: ( 7 ) 可以 与太阳能电池等相匹配，不仅可用于航天、航空、仪器仪表显示等领域， 而且还可应用于飞机和坦克等的数字、图像处理以及移动通信装置的显示: ( 8 ) 可以实现柔软显示， 在卷曲和折叠情况下发光，有望实现全塑o l e d ， 生产出 大尺寸、形状各异的壁挂式和可卷曲的显示器件。 1 . 4 o l e d的发光机理 对o l e d的 发 光 机 理的 研 究尚 不 透 彻， 其 发 光 机 制仍 无定 论。目 前 人们 普 遍 接 受 一一. 一. 一一一. 3 华中科技大学博士学位论文 光，对比度好，视角宽，响应速度快( 1 0 增s ) ，耐冲击，受外界环境因素影响小，同时， 器件制作也相对简单。 无机e l 器件早己实现了商品化，其主要材料是i i i v 族元素和i i 一族元素形成的 半导体，如o a a s 、z n s 和s i c 等，但其加工困难且造价昂贵，无法实现大面积显示， 而且制作发射蓝光的无机e l 器件受到现有材料的限制，从而难以实现全色显示。而 o l e d 不仅可以同时实现低驱动电压和超薄大面积平板显示，而且选材范围广，容易实 现全色显示。与无机e l 器件相比，o l e d 还具有易于处理、可加工成不同形状、机械 性能良好以及成本低廉等优点。 等离子体显示( p d p ) 是种新的平板显示器件，它是通过气体在电场作用下发出 等离子体来激发荧光材料发光。但是，其制作工艺精度要求高，易产生象素交叉效应， 能量效率低，并且造价昂贵。面o l e d 则可实现低成本生产。 另外，o l e d 还具有另一个方面的应用前景，即可制成大面积的平板光源。由于 o l e d 的发光亮度高【4 ”，可以用来作为l c d 等显示器的背光源，甚至还可能用来制作 平板激光光源1 5 0 】。 总之，作为新一代具有强大竞争能力和广泛应用前景的平板显示器件，o l e d 具有 如下特点 t - 3 , g , 3 8 , 3 9 , 5 0 - 5 2 ： ( i ) 可以代替c r t 、l c d 、l e d ，实现器件全固化、轻量化、平极化、薄型化、 低成本生产，可大幅度节省空间，方便携带： ( 2 ) 可以制作大面积、高亮度的平面光源，甚至是平面激光光源： ( 3 ) 发光材料繁多，发光色彩丰富，发光颜色覆盖整个可见光区； ( 4 ) 功耗小，驱动电压低，可与集成电路相匹配： ( 5 ) 制作工艺简单，应用范围广，产品的性能价格比高； ( 6 ) 与l c d 相比，克服了液晶被动显示、视角范围小、响应速度慢等不足，它的 响应速度是l c d 的1 0 0 0 倍以上： ( 7 ) 可以与太阳能电池等楣匹配，不仅可用于航天、航空、仪器仪表显示等领域， 而且还可应用于飞机和坦克等的数字、图像处理以及移动通信装置的显示： ( 8 ) 可以实现柔软显示，在卷曲和折叠情况下发光，有望实现全塑o l e d ，生产出 大尺寸、形状各异的壁挂式和可卷曲的显示器件。 1 4 o l e d 的发光机理 对o l e d 的发光机理的研究尚不透彻，其发光机制仍无定论。目前人们普遍接受 华中科技大学博士学位论文 的是能带理论模型，认为o l e d 发光属于注入式发光，即由阳极注入的空穴和阴极注入 的电子在发光层复合后产生激子，激子自身通过光辐射形式释放光子回到基态，或者将 能量传递给发光层分子，激发发光材料的电子从基态跃迁至激发态，然后以光辐射跃迁 形式返回基态。其过程概括为五个阶段：( 1 ) 载流子从两端电极的注入；( 2 ) 载流子在 有机材料薄膜中的传输：( 3 ) 载流子的复合产生激发子：( 4 ) 激发子能量传递给发光材 料，使电子从基态跃迁到激发态；( 5 ) 激发忿以发光辐射失活回到基态。 载流子的注入是在外加电场的作用下完成的。载流子的传输过程一般被认为是一种 电化学氧化还原过程。例如：空穴传输过程是一种夺取电子的氧化过程，而电子传输 则是一种接受电子的还原过程，其传输过程如图1 2 所示。载流予的复合和发光则被认 为是一种电子的跃迁和弛豫过程。 一、，7 、 ，一、 7 幽1 2 空穴私i 电子传输过程示意幽( m 平| in 分别代表空穴和电子传输材料分子) 图1 3 为典型双层结构器件i t o ( i n d i u m t i n o x i d e ) t p d a l q 3 m g 的能带理论模型， 在外加电场的作用下，阴极m g 的电子被注入到a l q 3 的最低未占据分子轨道( l u m o ， 从真空能级到l u m o 的能量为电子亲和势e a ) ，而阳极i t o 则从t p d 的最高占据分子 轨道( h o m o ，从真空能级到h o m o 的能量为第一电离能i p ) 夺取电子，即将空穴注 入到h o m o 中去。电子和空穴在电场的作用下在各层分子中向相反方向移动了、复合、 形成单重态澉子，激子可以通过光辐射跃迁释放能量返回基态，从而获得电致发光。 在载流子的复合过程中，由于两个载流子的每一电荷的自旋量子数为1 2 ，可以形 成单重态( s = 0 ) 和三重态( s = 1 ) 两种激发态，其中只有单重态的0 激子才会以辐射跃迁形式产生荧i 光返回基态，而三重态激子则以 善 辐射跃迁产生磷光或热失活形式 复 返回基态。而且，这两种激发态； 的能量一般有较大差异，同一激* 发态的三重态激子能量一般低于 单重态激子而不能跳跃到单重 i t o t p d a l 甲 m g 图1 3o l e d 的能带理论模型示意圈 4 裔盗 华中科技大学博士学位论文 态，而单重态激子贝u n n 过系间窜跃变成三重态激予。单重态与三重态的生成几率比为 l ：3 ，即单重态的最高生成几率