LectureOLED层状结构原理

新型显示技术

NewDisplayTechnology主讲：刘琳西安邮电学院光电信息工程教研室Email：liulin@2008～2009学年第二学期阴极阳极(ITO)有机电致发光结构与材料新型显示技术2glassAnode(ITO)HTL(NPD,50nm)EML(Alq3,35nm)Cathode(Al,100nm)一个高效的有机电致发光器件必须满足如下条件：1、发光层选用的有机物在固态薄膜时必须具有高荧光效率2、载流子注入必须平衡，以保证复合形成激子的几率最大3、由于激子迁移到猝灭位置而引起的非辐射衰减必须最小新型显示技术3OLED采用直流电压驱动，由于功能层总厚度仅数十至百纳米，大约10V的电压便可在发光层产生105~106V/cm的场强。在这样高的场强作用下，电子和空穴均可以实现注入。注入电子来源于金属电极，电极的逸出功越低，束缚电子的能力越弱，电子越容易克服表面势垒在较低的电压下注入。空穴载流子来源于另一侧的透明ITO电极。由于有机物和正负电极间存在能带差，而形成有机物和电极之间的界面势垒。通过调节该势垒可以控制EL器件的起亮电压和效率等特性。注入新型显示技术4为了降低注入势垒，提高少数载流子的注入密度，从而提高电致发光器件的光亮度和效率，人们对器件结构进行了优化设计，通过选择适当的电极材料以及对注入界面的修饰等，可以平衡空穴和电子载流子的注入LUMOHOMOAl发光层ITO电极逸出功金属电极逸出功单层器件能级示意图真空能级空穴注入势垒电子注入势垒ITO注入新型显示技术5载流子传输是指将注入至有机层的载流子运输至符合界面处。衡量有机薄膜载流子传输能力的主要指标是载流子迁移率目前所使用的有机小分子空穴传输材料的迁移率一般为10-3cm2/V.s左右，而电子传输材料的迁移率相对低两个数量级，寻找具有高电子迁移率的小分子材料是当务之急。传输新型显示技术6复合电子和空穴通常在发光层中复合，而产生激子。发光层厚度通常在100nm左右，为了提高电子和空穴载流子在发光层中的辐射复合几率，应当保证在发光层有较高的载流子密度和较小的载流子迁移率。对于多层结构的发光器件，电流可能主要由其中的多数载流子形成；多子可能穿过发光层而不与带相反电荷的另外一种载流子结合成激子，导致发光效率下降；为了提高发光效率，必须将多子束缚在发光层中，同时抑制激子的迁移。为了将空穴束缚在发光层中，电子传输/空穴阻挡层的HOMO能级必须比发光层的相应能级低。新型显示技术7激子是不稳定的，它可以通过辐射跃迁发光、非辐射跃迁发光、能量传递等方式将能量耗散掉。为了得到高效率的器件，要求有机半导体必须有很高的纯度，较少膜层中引起猝灭的缺陷，同时通过器件设计将激子迁移到猝灭位置而引起的非辐射衰减降到最小。激子的发光过程实际上是有机分子从激发态发射出荧光（或磷光）而回到基态的过程，作为发光层材料，需要具备高的固态荧光量子效率。发光新型显示技术8很多有机染料在分散状态的荧光量子效率接近100%，不过在聚集态荧光量子效率却很低。为了解决这一矛盾，Kodak公司研究人员最先提出掺杂的概念：将少量（～1%）荧光量子效率很高的荧光染料掺入发光层基质中，实现了高效的电致发光。这也使得各种不同的空穴、电子传输材料和不同发光波长的染料层出不穷。Forrest等人进一步扩展了掺杂的概念，将高效的磷光染料掺入发光层，使载流子复合的能量有可能100%（内量子效率）转化为发光。发光新型显示技术9有机电致发光材料在有机电致发光器件的研究当中，选择适当的材料十分重要。根据分子量的大小可分为小分子材料和聚合物材料两大类；根据功能不同又可分为发光材料、空穴传输材料、电子传输材料以及电极修饰材料、阻挡层材料等。有机电致发光材料阴极阳极(ITO)新型显示技术11OLED各层材料新型显示技术12小分子空穴传输材料好的空穴传输材料应具备如下特征：高的空穴迁移率，利于空穴传输；相对较小的电子亲和能，有利于空穴注入；相对较低的电离能，有利于阻挡电子；良好的成膜性和热稳定性（Tg高）OLED用的大多数空穴传输材料（HTM）属于一种芳香胺荧光化合物，已经采用过的主要是三芳胺衍生物如TPD、TDATA。其优点为具有很高的Tg和优良的表面稳定性。因为HTM在工作状态时通常容易发生热聚集作用，所以对于制做一个品质好的OLED來说，选择热稳定性好的HTM就成了一个关键问题。新型显示技术13小分子电子传输材料好的电子传输材料应该具备：高电子迁移率，利于电子传输；相对较高的电子亲和能，有利于电子注入；相对较大的电离能，有利于阻挡空穴；良好的成膜性和热稳定性OLED用的绝大多数电子传输材料（ETM）是荧光染料化合物。Alq、Znq、Gaq、Bebq、Balq、DPVBi、ZnSPB、PBD、OXD、BBOT等。OLED的ETM，在工作状态必須是热稳定和表面稳定。其ETM中，Alq3被广泛用于绿光，Balq和DPVBi则被广泛应用于蓝光。新型显示技术14小分子发光材料发光材料必须具备几个特性:固态下有较強荧光载流子传输性能好稳定性好,包括良好的热稳定性和化学稳定性能够真空蒸镀。发光层是由荧光主体材料中掺杂一些的“荧光掺杂剂”制备。发光层通常与ETM或HTM采用的材料相同。发光层，必须具有较高的量子效率和足够的热稳定性。掺杂剂选择适当，理论上可以获得各种发光颜色。新型显示技术15新型显示技术16新型显示技术17测量元件寿命的方法，是在元件维持一恒定电流的条件下，测量从初始亮度下降至一半亮度的时间。根据Kodak公司的VanSlyke报道，亮度在2000cd/ｍ2时，器件的工作寿命达到了1000小时｡对寿命进行比较的最佳参量是亮度和半亮度寿命的乘积。据报道，该量值对使用寿命最长的器件是:绿光为7000000hr·cd/m2;蓝光为300000hr·cd/m2;红橙色为1600000hr·cd/m2。元件的寿命新型显示技术18器件老化阴极电極电子傳導层(ETL)发光层(EML)空穴傳導层(HTL)空穴注入层(HIL)ITO阳极电极玻璃基板阴极电极电子传输层(ETL)发光层(EML)空穴传输层(HTL)空穴注入层(HIL)ITO玻璃基板水汽阴极表面氧化剥离扩散有机层有机材料结晶有机层扩散电化学分解光化学反应水解、氧化阳极表面污染氧化物平整度载流子注入能障环境温度焦耳热工艺温度新型显示技术19元件的衰变(1)有机材料元件衰变可分为三种:(1)热衰变。Tg可以作为其热稳定性的依据。Tg低的材料在室温下容易结晶。(2)光化学衰变。有些有机材料，在光照射下不稳定，发生了光化学反应。(3)界面的不稳定。OLED器件中有三种界面:ITO/有机层;有机层/有机层;金属/有机层。有些有机材料在其它有机材料或无机材料上的粘附性能很差。新型显示技术20元件的衰变(2)无机材料元件衰变可分为