有机白光器件的研究毕业设计.docx

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有机白光器件的研究毕业设计

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本科生毕业设计（论文）

题目：

有机白光器件的研究

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本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。

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有机白光器件的研究

摘要

OLED技术已被广泛应用到显示和照明领域，并取得丰硕的成果。

白光OLED（White Organic Light Emitting Device,WOLED）是OLED研究领域的重点之一，在应用方面，不仅可以直接充当照明器件，也可以制作成LCD显示器中的背光源以及全彩OLED显示器。

为了获得白光，可以选择三基色原理红、绿、蓝发光染料或是互补原理的蓝、黄染料，将这些染料按照一定比例进行混合，即可产生白光。

每种染料可以单独构成一个发光层，也可以由两种或多种染料混合形成一个发光层。

本课题就是通过蓝加黄来实现白光，同时利用间隔层来对器件的结构进行优化，使器件的性能达到最优。

本课题用蓝光染料DPVBi以及黄光染料Ir（piq）2（acac）分别作为独立的发光层，用真空热蒸镀法实验制备了结构为：

ITOm-MTDATANPBCBP:

Ir（piq）2（acac）BphenDPVBiAlqLiFAl的白光OLED器件，用Bphen作为间隔层，进一步优化器件的结构，当Bphen的厚度为8nm时，器件的性能最好，当电压为13V时，亮度达到最大值10743.75cdm2，器件的最大电流效率为4.35cdA，色坐标为（0.25,0.23）处于白光区域。

关键词：

OLED，Bphen，白光，间隔层，亮度，电流效率

TheStudyofWhiteOrganicLightEmittingDiodes

Abstract

OLEDtechnologywidelyappliedtothedisplayandlighting,andachievedfruitfulresults.WhiteOLED（WhiteOrganicLightEmittingDevice,WOLED）OLEDisoneofthekeyresearchareas,intheapplication,notonlycanactasalightingdevicecanalsobemadeintoLCDdisplaybacklightandfull-colorOLEDdisplays.

Togetwhite,youcanchoosethreecolortheoryred,greenandbluelight-emittingdyeorcomplementarityprincipleofblue,yellowdye,acertainpercentageofthesedyesweremixedtoproducewhitelight.Eachdyemayconstituteasinglelightemittinglayer,alight-emittinglayermaybeformedbyamixingoftwoormoredyes.Theissueistoachievebyblueandyellowwhite,whiletakingadvantageofthespacerlayertooptimizethestructureofthedevice,sothatoptimalperformanceofthedevice.

TheissuewithbluedyeandyellowdyeDPVBiIr（piq）2（acac）asseparatelight-emittinglayerbyvacuumthermalevaporationmethodtoexperimentwiththestructure:

ITOm-MTDATANPBCBP:

Ir（piq）2（acac）BphenDPVBiAlqLiFAlwhiteOLEDdevicewithBphenasaspacerlayer,andfurtheroptimizethestructureofthedevice,whenBphenthickness8nm,thebestperformanceofthedevice,whenthevoltageis13V,themaximumbrightness10743.75cdm2,themaximumcurrentefficiencyofthedevice4.35cdA，Colorcoordinatesof（0.25,0.23）inthewhitearea.

Keywords:

OLED,Bphen,White,Spacer,Brightness,Currentefficiency

目录

第1章绪论1

1.1有机白光器件的研究历史及应用1

1.2有机发光器件的原理及结构2

1.3白光OLED的制备方法3

1.4本论文研究意义及主要内容4

1.4.1研究意义4

1.4.2主要内容及章节安排5

第2章白光OLED的制备6

2.1引言6

2.2实验材料和实验设备6

2.2.1实验材料6

2.2.2实验设备6

2.3实验制备与表征方法7

2.3.1实验制备7

2.3.2表征方法7

2.4实验结果与分析7

2.5本章小结9

总结10

参考文献11

谢辞14

附录1文献翻译15

第1章绪论

1.1有机白光器件的研究历史及应用

1987年，美国Kodak公司的C.W.Tang等人[1]以8-羟基喹啉铝（Alq3）作为发光层后，OLED的性能实现了重大突破，从此OLED逐渐引起人们的极大关注，其中有机电致白光器件是OLED研究领域的一个重要课题。

1994年，Kido等人[2]利用红光、绿光、蓝光三种发光染料掺入母体材料PVK中制备了第一块白光OLED，但器件的驱动电压非常高，器件的功率效率为0.831lmW。

随着研究的逐渐深入，白光OLED的性能也得到了进一步提高，特别是1997年，Forrest等人[3]首次将小分子磷光染料platinumoctaethylporphine（PtOEP）应用到OLED中，制备出首个磷光OLED器件，使得OLED内量子效率从荧光器件的25%提高到近100%，基于磷光材料的白光器件成为研究的重点。

2003年Tokito等人[4]将磷光材料（CF3ppy）2Ir（pic）和（btp）2Ir（acac）分别掺杂与CDBP母体中，制备的白光器件外量子效率达到12%。

2008年，Nakayama等人[4]利用光输出耦合技术制备白光器件，当亮度为1000cdm2时，功率效率为64lmW，其寿命超过10000h；2009年Andrade等人[5]通过改善器件的结构，制备的白光OLED最大功率效率超过了100lmW，同年，He等人[6]报道了亮度为1000cdm2时，寿命超过100000h的白光OLED。

随着OLED技术的不断成熟，与传统的信息显示相比，OLED因具有成本低、主动式发光、全固态、驱动电压低、效率高、响应速度快、视角宽及可实现柔性显示等特点在显示领域获得人们的广泛关注，并得到了迅速发展。

近几年，白光OLED渐渐被市场所重视，不仅可以充当照明器件，也可以制作成LCD显示器中的背光源以及全彩OLED显示器，如今已有相关产品进入市场，并得到人们的认可，如图1.1所示的OLED手机及电视。

图1.1OLED手机及电视

毫无疑问，对于白光器件另一个应用的领域在照明方面，全固态、低功耗、绿色环保等优点让OLED在照明领域前景诱人。

欧洲的Osram推出了世界首台白光OLED台灯，还有诸如柯达、飞利浦等大企业都在OLED照明这一领域积极开发，并有相关产品进入人们寻常生活中，如图1.2所示OLED照明产品。

图1.2OLED照明

1.2有机发光器件的原理及结构

OLED的结构主要是夹层式三明治式结构[7-10]，即发光层夹在两电极之间。

为改善及提升器件的性能，加入了载流子传输层以及其他修饰界面的功能层，发展了双层至多层器件。

一般情况下有三种典型结构：

单层器件、双层器件、三层和多层器件。

图1.3单层器件

有机电致发光器件最简单的结构如图1.3所示，单层器件是由一个单独的有机层组成。

一个高功函数且透明的材料作为阳极，这样做的原因是以便光可以透过电极。

单层器件的性能通常都是偏低的，主要因为空穴和电子在有机材料内它们的传输性能不一样，单层的有机材料会造成载流子不平衡，复合区域很可能靠近电极，这样会受制于猝灭发射，器件效率降低[11-13]。

图1.4双层器件

对于双层器件，如图1.4所示，增加一层有利于一种载流子传输的功能层，会显著改善器件的载流子平衡性，电子空穴的复合区域主要处于传输层和发光层两者界面处，远离了电极，所以器件的发光效率明显会提高[14-18]。

而对于图1.5的三层器件结构来说，电子以及空穴的传输性能进一步得到改善，器件的性能相对于双层器件更进一步，三层结构是比较常用的一种器件结构。

还有诸如白光、串联式的复杂的多层结构，按照需要来设计器件的合适结构，从而使器件的效率达到最优[19-22]。

图1.5三层有机器件

1.3白光OLED的制备方法

有机EL的白光发射，它可以通过很多种途径获得，通常情况下，从制备工艺上来讲，WOLED要比单色器件复杂很多，而且结构设计也是各式各样，简单介绍一下WOLED几种常见的制备方法。

1.颜色混合法制备WOLED：

颜色混合法是当前研究得最多、也是性能最好的设计白光的方法。

通常可以通过两种互补颜色或三基色（RGB）混合来实现白光发射，要用混合光的方法可以采用制备相互发出不用光颜色的有机层，亦可以在某一层带隙宽的材料里面掺杂其他发光材料组合而成的混合发光有机层，特别是后者，它的应用非常广泛。

经过调整各层的厚度，还有掺杂比例等操作来控制发光的比例，这样就能达到要求的白光效率和色度。

但是器件通常包含有很多有机层，由于界面势垒会妨碍载流子的注入，所以邻近层材料的LUMO和HOMO的选择一定要匹配很好，这样才能让载流子有效传输和注入。

这种方法其的优点是，各有机层之间是相互独立的，既能够分别进行各项优化，又能充分的发挥各层其独有的功能：

器件设计本身也具有相当大的灵活性，能够最大限度地改善参数，制备出具有高性能的器件。

多重发光层和多掺杂发光WOLED是将颜色不同的掺杂剂按照一定的比例混合在不同的发光层里面，再者利用不同种材料的复合发光来达到白光发射。

它的原理是：

在高能带宽度的主体供体材料里面掺杂这低能带宽的客体和受体分子，激子的能量从主体转移到客体，使客体分子发光，主体材料能够发生完全能量转移到本身不发光，仅起传输载流子和分散剂的作用，也可以是不完全能量转移，两者都会发光。

这类器件制作是多种多样的，可选择多掺杂、单掺杂的单层、多层器件。

混合（Hybrid）式白光OLED利用磷光材料制备的OLED内量子效率，理论上它的值可达到100%，但是蓝光磷光材料有个寿命的问题，这个问题一直都是限制WOLED发展的一个瓶颈。

所以利用蓝光荧光材料和其他颜色配合就可得到磷光材料组合成的混合（Hybrid）系统白光器件，在该基本思路中，通过巧妙的设计是利用荧光材料来捕获单线态激子，提高激子的利用率可以通过磷光材料捕获三线态激子，从而实现效率和亮度的大大提升。

2.单一聚合物白光器件：

这类器件的设计理念是，利用分子掺杂的物理思想，在发光分子的主链或侧链上引入高效率发光基团，通过控制主链分子和发光基团之间能量传递，来合成可发白光的单一聚合物，然后制作单层器件。

可用喷墨、旋涂、卷对卷等廉价的湿法工艺成膜。

这种方法在制备白光OLED中已经有一定的应用了[23-29]。

不过它仍然存在稳定性差、效率低等问题。

1.4本论文研究意义及主要内容

1.4.1研究意义

如今有机电致发光器件在快速发展，其中白色有机发光器件也就是白光OLED，它逐渐成为热门研究对象。

白光OLED它产生白光不仅高效饱和，而且它的驱动电压很低、可实现大面积显示、材料柔性很好等特点，所以在固态照明和显示等领域具有不可估量的潜能。

不仅如此，白光OLED的发展是要成为真正意义上的长寿命、高效率、低成本的平面光源。

白光OLED在性能方面虽然取得了比较大的进步，但是无论从材料本身和器件结构等方面问题依然很多[30-46]。

除此之外，白光OLED绝大多数都是被动式驱动的小面积器件，OLED的应用领域在很大程度上受到了限制。

所以对器件结构的进一步改善和对材料以及制备工艺的优化显得极其有必要。

本论文是以有机白光器件为研究对象，通过蓝和黄互补原理实验制备出白光器件。

1.4.2主要内容及章节安排

本论文对有机白光器件作了一定研究，实验制备出一种白光器件，章节安排如下：

第一章：

简单介绍了有机白光器件的研究历史与应用，同时介绍对白光OLED的制备方法。

第二章：

实验制备一种有机白光器件。

第三章：

对本论文的总结。

第2章白光OLED的制备

2.1引言

白光OLED在显示和照明两大领域都得到很好的应用，本研究就是通过蓝、黄互补色合成白光，DPVBi作为蓝光发光层，Ir（piq）2（acac）作为黄光发光层，制备出白光OLED，其中Bphen间隔层用来调节载流子的平衡性，使器件的性能达到最优。

2.2实验材料和实验设备

2.2.1实验材料

m-MTDATA，良好的空穴注入能力，这里作为空穴注入层

NPB，常用的空穴传输层，这里作为空穴传输层

DPVBi，作为蓝光发光层

Bphen，作为间隔层，用来调节载流子的平衡性

CBP，Ir（piq）2（acac）主客掺杂系统，作为黄色发光层

Alq，作为电子传输层

ITO、LIFAl，作为电极

2.2.2实验设备

表2.1实验主要设备

设备名称

型号规格

厂商

多源气相沉积系统

LN-1103SA

沈阳立宁真空技术研究所

程控电源

keithley2400

美国吉时利

亮度计

LS-110

柯尼卡美能达投资有限公司

微型光纤光谱仪

MAYA2000PRO

蔚海光学仪器（上海）有限公司

烘箱

DGG-9240BD

杭州卓驰仪器有限公司

等离子清洗机

PDC-32G-2

迈可诺技术有限公司

2.3实验制备与表征方法

2.3.1实验制备

蒸镀前先将ITO玻璃片彻底清洗，烘干并氧气等离子体处理10分钟后置于蒸镀室内，放入适量的材料，关闭腔门，抽真空，当真空度达到5×10-4时，开始蒸镀操作。

依次蒸镀如图2.1所示的器件对应的材料及厚度。

根据间隔层Bphen厚度不同，当x=3nm时，记为器件a；当x=5nm时，记为器件b；当x=8nm时，记为器件c；当x=10时，记为器件d。

蒸镀时，有机材料蒸镀的速率为1Ås，金属电极蒸镀的速率为2Ås，LiF蒸镀速率为0.03Ås，对于四种器件均以相应的掩膜板图案画。

图2.1器件结构

2.3.2表征方法

器件制备后，尽快进行光电检测，防止器件收到外在因素的影响。

用keithley2400程控电源提供电流，亮度计测量亮度，光谱仪测量光谱。

整个实验制备和测试都是在超净间及大气环境下进行的。

2.4实验结果与分析

分别测量了四个器件的电压-电流密度关系曲线，如图2.2所示。

载流子的平衡性影响着整个器件的性能，从图中可以看出，在一定的电压下，随着间隔层Bphen厚度的增加，电流密度先增加后减小，b、c两器件表现较好。

从图2.3中可以看出，当Bphen厚度为8nm时，器件的亮度最大值为10743.75cdm2，器件c较其余器件的亮度要大。

图2.2电压-电流密度关系曲线

图2.3电压-亮度关系曲线

从图2.4中进一步可以看出，器件a、b、c、d四个器件的电流效率最大值分别为：

2.98cdA，3.09cdA，4.35cdA，3.69cdA。

器件c的电流效率明显要高于其它器件，说明Bphen厚度为8nm时，器件载流子的平衡性最高，此时的器件性能最好。

图2.4电压-电流效率关系曲线

器件c在8V的电压下的光谱如图2.5所示，明显看出光谱图中有两个发光峰，460nm是DPVBi的蓝光发光峰值，640nm是Ir（piq）2（acac）黄光发光峰值。

图2.6给出了四个器件的色坐标，可以发现器件c的色坐标为（0.25，0.23），处于白光区域。

图2.5器件c在8V电压下的光谱

图2.6器件a、b、c、d的色坐标

2.5本章小结

通过实验制备了一种双发光层的白光器件，用间隔层Bphen来调节载流子的浓度，当Bphen的厚度为8nm时，器件整体性能最好，当电压为13V时，器件达到最大亮度10743.75cdm2，电流效率达到最大4.35cdA，器件的色坐标（0.25，0.23）处于白光区域。

总结

本研究主要是实验制备了一种白光器件，用蓝光材料DPVBi以及黄光材料Ir（piq）2（acac）构成双发光层，实现白光发射。

器件的结构为：

ITOm-MTDATANPBCBP:

Ir（piq）2（acac）BphenDPVBiAlqLiFAl，对器件的结构进一步优化，设计了Bphen作为间隔层，用来调节载流子的浓度，从而提高器件的性能，当Bphen的厚度为8nn时，器件的最大亮度为10743.75cdm2，最大电流效率为4.35cdA，此时器件的性能最好，同时器件色坐标为（0.25，0.23）处于白光区域。

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