顶发射有机电致发光器件3.docx

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顶发射有机电致发光器件3

顶发射有机电致发光器件

摘要

有机电致发光器件（OLED）由于其自身具有能耗低、自发光、视角宽、本钱低、温度范围宽、响应速度快、发光颜色持续可调、可实现柔性显示、工艺比较简单等长处而吸引了全世界信息显示技术研究领域的专家学者们的目光，它成了最有可能取代液晶显示器件的希望之星。

有机电致发光器件的研究始于1963年，最近几年内，愈来愈多的研究人员从事到有机电致发光器件的研究中来，关于利用新材料、新结构制作有机电致发光器件的报导层出不穷，有机电致发光技术也取得了飞速的进展。

有机电致发光器件依照光从器件出射方向的不同，能够分为两种结构：

一种是底发射型器件（BEOLED），另一种是顶发射型器件（OLED）。

由于顶发射型器件所发出的光是从器件的顶部出射，这就不受器件底部驱动面板的影响从而能有效的提高开口率，有利于器件与底部驱动电路的集成。

同时顶发射型器件还具有提高器件效率、窄化光谱和提高色纯度等诸多方面的长处，因此顶发射型器件具有超级良好的进展前景。

而对于顶发射型器件来讲，它的有机层结构与底发射型器件的结构大体一致，所以对于顶发射型器件电极的研究具有超级重要的意义。

关键词：

电致发光顶发射

Abstract

Organiclight-emittingdiode（OLED）,duetoitslowenergyconsumption,self-luminous,wideviewingangle,lowcost,widetemperaturerange,fastresponse,continuouslyadjustable,luminouscolors,flexibledisplay,theprocessisrelativelysimple,toattracttheattentionofexpertsandscholarsindisplayresearchingfieldallovertheworld.Itbecamethestarofhopewhichmostlikelytoreplaceliquidcrystaldisplay.Researchingoftheorganiclight-emittingdiodebeganin1963,andinrecentyears,moreandmoreresearcherscometoresearchtheorganiclight-emittingdiode.Newmaterials,newstructuresoforganiclight-emittingdiodereportedinanendlessstream.OLEDtechnologyhasbeenrapiddevelopment.

Accordingtothedifferentdirectionsofthelightemittingfromthedevice,wecandividetheOLEDintotwokinds.Theoneisbottom-emittingtypedevice（BEOLED）andtheotheristop-emittingdevice（TEOLED）.AsthelightemittingfromthetopoftheTEOLED,itcanignoretheeffectofthebottomdrivingpanel,sothatitcaneffectivelyimprovetheopeningrate,conducivetotheintegrationofthedevicewiththedrivingcircuit.Top-emittingdevicecanalsoimprovetheefficiencyofthedevice,narrowingthespectrumandimprovethecolorpurity,soithasagoodprospectfordevelopment.Fortop-emittingdevice,theorganiclayerstructureandisbasicallythesamewiththebottom-emittingtypedevice,soithasveryimportantsignificancetostudytheelectrodesofthetop-emittingdevice.

Keyword:

top-emittingelectroluminescent

1.引言

近几十年来，人类社会的科学技术取得了高速的进展，咱们逐渐地迎来了一个信息化的时期。

信息与能源、材料一路成了咱们现今社会科学技术进展的重要要素。

信息已经成了现代社会人们生活的物质基础并逐渐表现其重要的地位。

按照统计资料表明，目前全世界信息总量以平均每一年13%的速度在增加，而咱们预期此后那个速度更将提升到每一年50%左右。

信息量的增加如此迅猛，而作为同意信息的一方，人类有70%以上的信息获取是通过视觉来完成的。

因此，信息显示技术的进展成了推动人类信息技术进展的重要一环。

最近几年来，愈来愈多的公司和研究人员投身到信息显示技术的研究中来，这也使得信息显示技术取得了迅猛的进展。

平板显示器件（FPD）的出现和普及标志着传统的显示器——阴极射线管显示器（CRT）逐渐退出了历史舞台，同时也标志着新一代显示技术革命的到来。

在平板显示技术中，液晶显示器件由于其自身与其它平板显示器件相较具有体积比较小、重量比较轻、工作电压比较低、功耗比较小、辐射比较低等诸多方面的长处，因此液晶显示器件在整个平板显示器领域中占有超过八成以上的市场份额。

可是液晶显示器件也存在着一些其自身无法克服的缺点和不足的地方，例如它的视角比较小、亮度不够高、对比度比较差、响应速度不够快、温度特性不好、必需依托背光源发光等问题。

由于其自身的这些缺点致使液晶显示器件愈来愈无法知足人们对信息显示器件的要求，因此研究人员不断研究以求能寻觅到性能更好的能够代替液晶的显示器件。

而有机电致发光技术的出现，迅速的吸引了人们的视线，它成了最有可能取代液晶显示器件的希望之星。

与阴极射线管显示器和传统的平板显示器相较，有机电致发光器件具有：

低电压直流驱动能耗较低，发光颜色持续可调，自发光，宽温度范围，视角宽，响应速度快，可实现柔性显示，工艺比较简单，本钱低等特性。

因此有机电致发光器件在全世界信息显示技术的研究领域内引发了极大的关注，吸引了愈来愈多的研究人员开始从事有机电致发光技术的研究工作。

2.有机电致发光器件的进展历史

有机电致发光显示,又称有机发光二极管或有机发光显示（OrganicLightEmittingDevice）,是自20世纪中期进展起来的一种新型显示技术,其原理是通过正负载流子注入有机半导体薄膜后复合产生发光。

有机电致发光的初期研究工作主要分为两个方面:

有机分子晶体电致发光和有机分子薄膜电致发光。

1963年,美国纽约大学的Pope第一个报导了葱单晶的电致发光,随后人们改变分子晶体如蔡单晶、花单晶、四并苯单晶等,并采用不同阴极材料和搀杂等手腕,取得分子晶体电致发光,可是由于驱动电压太高,由有机晶体材料制作的器件到目前为止尚未任何利用价值,致使有机晶体电致发光研究一直处于停滞状态。

有机薄膜电致发光的研究始于1979年Vincett小组的工作,专门是在1982年,该小组采用真空蒸发法制备了0.6µm腼葱沉积膜,一举将工作电压降至30V之内。

同年,美国柯达公司的C.W.Tang也采用真空沉积法制作了有机电致发光器件。

至此,有机发光器件的研究才真正拉开序幕。

1985年Vanslyke和C.W.Tang制备了含有空穴传输层和发光层的双层结构器件,在20V的电压下取得了1700Cd/m2的绿光发射.1987年,C.W.Tang采用超薄薄膜技术,以一种二胺衍生物作为空穴传输层,以8-轻基喳琳铝作为电子传输和发光层,在10V的工作电压下取得了亮度为1000Cd/m2的绿光有机电致发光器件,发光效率为1.51lm/w,寿命在100小时以上。

这一冲破性进展使得有机发光器件的研究得以活着界范围内迅速且深切地开展起来。

1988年日本九州大学的Adachi等人以聚乙烯咔哩为发光层,改良了器件的结构,取得了高亮度和长寿命的蓝光器件,这进一步推动了有机发光器件的研究。

1994年在日本滨松召开的有机及无机电致发光国际会议上,C.W.Tang第一次报导了利用寿命已达到10000小时的双层结构有机发光器件。

1997年,Forrest等发觉磷光电致发光现象,冲破了有机电致发光材料量子效率低于25%的限制,使有机平板显示器件的研究进入一个新时期。

3.有机电致发光器件的特点和优势

有机电致发光器件同其他的发光器件相较最大的区别是有机材料能够沉积在任何的衬底之上，这一特性使得有机电致发光器件能够做的质量很轻而且能够做的柔性显示。

同时有机电致发光器件的效率同传统器件相较也有专门大的优势，例如，采用顶发射型结构的荧光发光器件的外量子效率可达到5%左右，从理论上来讲，磷光有机电致发光器件的内量子效率能够高达100%，这些长处都是其他传统器件所不能比拟的。

同时由于有机电致发光器件是自发光不需要背光源，因此器件在用作显示的时候像素点能够在需要的时候才点亮，不像传统显示器的背光源要处于常亮的状态，如此就节省了很多能源的消耗。

综上所述，与传统显示器件相较，有机电致发光器件具有以下的一些特点和优势：

1）有机电致发光器件为全固化的，因此器件的质量相对较轻;

2）器件能够实现柔性显示，如此器件就可以够弯曲，有利于制作一些特殊造型的显示器件，同时也有利于携带和放置；

3）器件的驱动电压很低，如此就使得器件的功耗较低，能够节省能源; 

4）器件的效率与传统器件相较较高;

5）器件的发光颜色较丰硕，能够实现全色发光;

6）器件的温度特性比较突出，其特性随温度的转变较小，如此器件就可以够用在较低的温度环境下；

7）器件的生产工艺比较简单，材料的可选择范围较广，器件的生产本钱比较低;

8）器件的可是角度特别宽，几乎感觉不到视角效应；

9）生产器件的污染小；

10）器件的响应速度特别快，在显示高速持续运动的图像时表现较好;

11）器件能够自发光，如此就不需要额外的背光源，使得器件的驱动电路比较简单。

4.有机电致发光器件的发光进程及原理

器件的电致发光进程就是一个能量转移的进程，它将电能转化为光能，在那个转化的进程中，咱们能够把有机电致发光器件看成是一个注入型的发光二级管。

咱们在有机电致发光器件的两头加上电压，通过那个电压所产生的电场，使得电子（electron）从器件的阴极（cathode）被注入到电子传输层中，而空穴（Hole）

则从器件的阳极（anode）注入到空穴传输层中，两种载流子迁移进入发光层中并结合形成激子，激子再通过辐射复合发光。

下图1.2为有机电致发光进程的能级示用意。

图4有机电致器件发光进程的能级示用意

4.1载流子的注入进程

载流子的注入进程是指由于外加电场的作用使得有机电致发光器件在阴极处形成电子，而在阳极获取电子从而形成空穴，随着外加电场的增加，所形成的电子和空穴渐渐从两极迁移到器件中的进程。

目前，对于载流子注入机理的研究主要能够分为四种不同的理论：

别离为隧道贯穿理论，热电子发射理论、陷阱限制传输理论和空间电荷限制注入理论。

图4.1有机电致发光器件载流子注入机制

4.2载流子的传输进程

载流子的传输进程是指在正负极形成的载流子在器件的内部通过传输层迁移抵达发光层的进程。

载流子的迁移速度是表征载流子的传输性能的物理量，咱们能够采用“飞行时刻法”来测量载流子的迁移率。

不同材料对于载流子的传输能力不同，咱们在设计器件时，要对载流子的迁移率加以考虑，尽可能平衡电子和空穴的迁移率，从而形成更多的激子以提高器件的效率。

4.3激子的形成进程

处于激发态的两种载流子相遇结合，在库仑力的作用下形成电子-空穴对，而这种电子-空穴对是处于束缚状态的，这就是激子。

有机电致发光器件的激子一般被分为单线态和三线态两种，其中三线态激子的形成概率是单线态的三倍，单线态激子通过辐射复合产生荧光发射，而三线态则产生磷光发射。

下图为激子形成进程示用意。

图4.3激子形成进程示用意

4.4激子的复合进程

激子的复合主要能够分为辐射复合和非辐射复合两种。

其中激子通过辐射复合从激发态跃迁回基态，在那个跃迁的进程中能量是通过光的形式向别传播的，这以进程即是激子的辐射复合发光进程。

而若是激子复合的能量以声子的形式传递给周围的分子并转变成热能，这就形成了激子的非辐射复合。

因此咱们在设计器件的时候要尽可能降低激子的非辐射复合以提高器件的发光效率。

5.评价有机电致发光器件光电特性的主要参数

咱们主要从电学和光学两部份来对机电致发光器件的性能进行评价。

其中表征电学性能的参数主要包括器件的电流密度随电压转变的特性曲线、亮度随电压转变的特性曲线等。

光学性能主要包括器件的光谱、电流效率随电压转变特性曲线、功率效率随电压转变曲线、器件的亮度、色坐标和寿命等。

5.1光谱

光谱是表征器件所发射的光的强度随着波长转变的物理量。

对于有机电致发光器件来讲，它的发光光谱主要包括电致发光（EL）光谱和光致发光（PL）光谱。

咱们通过对机电致发光器件的两种光谱进行分析对比能够明白器件中载流子的复合区域、能量传递等信息。

5.2发光效率

目前对有机电致发光器件效率的评价主要有流明效率、光功率效率和量子效率三种。

其中流明效率ŋl（单位：

lm/W）是器件所发出的光通量L（单位：

流明）与输入到器件的电功率P（单位：

瓦）之比。

而器件的光功率效率则是指器件发出的光功率与输入到器件的电功率之比。

而对于量子效率来讲，一般包括内量子效率（IQE）和外量子效率（EQE）两种。

其中内量子效率是用来表征在器件有机层由于辐射复合而产生的全数光子数与注入到器件中的电子—空穴对数之比；外量子效率则是表示器件在某个方向上出射的光子数与注入到器件中的电子—空穴对数之比。

外量子效率能够通过器件的发光光谱来进行估算，或利用积分球来进行计算。

想要提高器件的效率咱们要特别注意以下几点：

第一，为了提高使器件中激子出现的概率，咱们要考虑载流子的迁移率设计出合理的器件结构使得器件有较高的载流子注入的效率；第二，咱们要尽可能选取发光效率较高的材料来制备器件；第三，为了避免器件的淬灭效应，咱们要对器件的结构进行分析和考虑，尽可能使激子的复合区在发光层的中心位置。

5.3亮度

发光亮度（单位：

Cd/m2）是衡量器件发光敞亮程度的物理量，咱们能够用亮度计来对器件的发光亮度进行测量。

亮度的计算公式如下。

最新的研究表明有机电致发光器件的亮度已经超过了150000Cd/m2。

其中L为亮度，Km为光功当量，它的值为683lm/W，Le，λ为辐射亮度，表示辐射功率随波长的散布，V（λ）为视见函数。

5.4色坐标

色坐标，即颜色的坐标，用来描述发光器件的发光色度的物理量[1-2]。

通常由（X,Y）来表示，通过对X，Y赋值就可以够在色度图上肯定一个点，那个点就可以够精准表示发光颜色。

下图即为色坐标图。

图中的任意一点都能够精准的表示动身光的颜色。

图5.4色坐标图

5.5寿命

有机电致发光器件的寿命是表征器件持续工作能力的物理量。

它是指持续点亮状态下的器件的亮度下降到器件刚开始亮度的1/2时所消耗的时刻[3-4]。

对于能够进入市场的有机电致发光器件一般要求它的寿命至少要在10000小时以上，即能够持续工作一年以上。

5.6电流密度一电压关系

在有机EL器件中电流密度随电压的转变曲线反映了器件的电学性质,它与发光二极管的电流密度一电压的关系类似,具有整流效应,即只在正向偏压下有电流通过,在低电压时,电流密度随着电压的增加而缓慢增加,当超过必然的电压电流密度会急剧上升。

5.7亮度一电压关系

亮度一电压关系曲线反映的是有机EL器件的光电性质,与器件的电流一电压关系有着相似的曲线,即在低电压下,电流密度缓慢增加,亮度也缓慢增加,在高电压驱动时,亮度伴随着电流密度的急剧增加而快速增加。

从亮度一电压的关系曲线中,还能够取得启动电压的信息。

启动电压一般概念为亮度为1Cd/m2的电压。

6.顶发射型有机电致发光器件简述

有机电致发光器件按照光从器件出射方向的不同，能够分为两种不同的类型：

一种是底发射型器件（BEOLED）另一种是顶发射型器件（TEOLED），如下6.1和6.2所示。

图6.1底发射型器件

图6.2顶发射型器件

从上图咱们能够看出，若是咱们采用有源驱动的方式来对器件进行驱动，那么对于底发射型器件，器件所发出的光只有一部份能够从器件底部的驱动面板上设计的开口处射出，这使得大部份地发光都被浪费了，从而致使器件的开口率较低，仅为30%到50%左右。

而对于顶发射型器件，它所发出的光从器件的顶部出射，这就不受器件底部驱动面板的影响，因此顶发射型器件能够有效的提高开口率，理论上可达100％，这有利于取得显示亮度高、高分辨率的有机电致发光器件，同时也有利于器件与底部驱动电路的集成。

而且顶发射器件还能够提高器件效率、窄化光谱，提高器件的色纯度，它在垂直方向上的谐振波长能够通过法布里-玻罗微腔的谐振条件取得，同时咱们还能够通过改变微腔的各个参量来取得咱们需要的波长的光的发射。

正是因为顶发射型有机电致发光器件具有以上的诸多优势，所以顶发射器件有着超级良好的进展前景，目前国内外也有很多的研究人员在专门地对顶发射型有机电致发光器件进行研究工作。

对于顶发射型器件的研究主要集中在三个方面，第一是对器件阴极性能的研究，因为顶发射有机电致发光器件的光是从器件的阴极射出，因此就要求阴极要具有较高的透光率[5-8]。

由于用ITO做阴极制备较为困难，研究人员把目光转向了利用薄层金属制作器件的阴极。

2001年C.W.Tang和L.S.Hung[9]的研究小组利用LiF/Al对Ag电极进行修饰取得了一个半透明的阴极。

2004年，S.F.Hsu[10]的小组基于Ca/Ag结构作为阴极成功的制备顶发射器件。

第二，由于顶发射器件存在微腔效应，有很多对顶发射器件的研究是基于微腔理论来改善器件的性能。

2004年，Hsu[11]的研究小组发表在CurrentAppliedPhysics上的一篇文章中提到了他们按照微腔理论，通过改变器件的厚度来实现对器件发光波长的调制，最终在实验中他们取得了色纯度超级高的蓝光器件。

最后，咱们想要取得较高的光掏出效率，就要选用一些吸收率比较低反射率比较高的金属作为顶发射器件的阳极，如此能够在器件的底部形成一个光学的反射镜面，提高光的出射进而提高器件的效率。

因此，阳极金属对器件性能的改善也是目前顶发射器件的一个研究热点。

对于顶发射器件来讲，除电极部份与底发射型器件不同之外，顶发射型器件有机层的结构与底发射型器件大体相同，因此目前对于顶发射型器件的研究工作的一个重点是通过对顶发射型器件电极的选择来改善和提高器件的性能。

7.总结

虽然世界上众多国家或地域的研究机构和公司投入巨资致力于有机平板显示器件的研究与开发,但其产业化进程远远低于人们的预料,其原因主如果在该领域研究中尚有许多关键问题没有真正取得解决。

主要在OLED的发光材料的优化、彩色化技术、制模技术、高分辨显示技术、有源驱动技术、封装技术等方面仍存在着重大基础问题尚不清楚,使得器件寿命短、效率低等成为制约其进展的“瓶颈”问题。

要解决这一系列重大问题,必需从材料性能、新型器件结构、器件制备进程、器件工作原理、器件中界面特性、器件老化的物理机制、器件封装、先进的驱动和控制技术等方面入手。

总结历史经验,在CRT的进展上,我国是被动的;在LDC的进展上,我国是掉队的。

在CRT和LDC等技术的应用方面,因为其生产工艺和核心技术等方面都已比较成熟,国外公司垄断着几乎所有相关核心专利技术和知识产权。

可是,在平板显示材料与器件方面,咱们尚有赶上国际先进水平、跟上国际产业化步伐的机缘。

OLED显示器件的产业化时期正在到来,此后5-10年将是OLED产业化的关键时期,这既是一次挑战,也是吉林大学硕士论文一次机缘。

只要咱们增强电致发光材料和器件的研究工作,就必然能在新材料、新结构、新方式等方面形成具有我国特色的研究方向和光电信息产业,提高我国在有机信息功能材料领域研究的整体水平,在国际上争得一席之地。

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