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高性能有机电致白光器件的研究认领

作者：

薛钦

学位授予单位：

吉林大学

摘要：

自从1987年Kodak公司的邓青云首次研制出具有实用价值的低驱动电压(<10V,>1000cd/m2)OLED器件(A1q3作为发光层),有机电致发光器件受到人们越来越多的关注。有机电致发光器件具有重量轻、成本低、视角广、主动发光、响应速度快、能实现全色显示和柔性显示、工作温度范围大等众多优点,被认为是有可能替代液晶显示器的新一代显示技术。白色有机发光器件由于可应用于液晶显示的背光源、照明、特殊光源以及实现全彩色有机电致发光显示而备受瞩目。作者在开发新结构荧光器件和制备高性能的有机电致白光器件方面进行了一系列探索性的工作。蓝色磷光材料与红或绿色磷光材料相比具有较差的寿命和较低的效率,及其需要较宽带隙的母体材料等这些固有缺点会阻碍其在白色有机电致发光器件上的进一步应用。所以对蓝色荧光器件的研究就显得必不可少,在本论文中我们通过对器件结构的设计来进一步提高蓝色荧光器件的效率。有机电致发光器件所经常采用的异质结结构虽然可以将载流子限制在传输层和发光层的界面处,进而取得比较高的电流效率,但是不同有机层的界面处的注入势垒往往比较高,导致器件的驱动电压也比较高,所以器件的功率效率往往比较低。也有研究者将混合母体结构应用到荧光器件中,由于采用了混合母体,所以传输层和发光层的界面就变得模糊,载流子注入势垒得到降低,因此器件的驱动电压降低；但同时由于混合母体的存在,使得有机层间的界面对载流子的限制作用减弱,器件的电流效率往往会降低,最终也导致器件的功率效率不高。在本文中我们采用将异质结和混合母体糅合在一起,制作了结构为ITO/NPB (40 nm)/ 3% DSA-ph doped MADN /3% DSA-ph doped MADN:NPB /Bphen (30 nm)/LiF (0.8 nm)/Al的器件；制作了三个采用这种结构的器件,它们的不同之处在于发光层中3% DSA-ph doped MADN部分和3% DSA-ph doped MADN:NPB部分的厚度不同,通过实验测量结果对比发现3% DSA-ph doped MADN厚度为8 nm, 3% DSA-ph doped MADN:NPB厚度为22nm的器件性能最好,此器件在1000cd/m2的亮度下的功率效率为4.2lm/W,几乎是单采用混合母体结构的对比器件[ITO/NPB (40 nm)/ 3% DSA-ph doped MADN:NPB (30 nm)/Bphen (30 nm)/LiF (0.8 nm)/Al]的4倍,同时也比采用传统异质结结构的对比器件[ITO/NPB (40 nm)/ 3% DSA-ph doped MADN (30 nm)/Bphen (30 nm)/LiF (0.8 nm)/Al]高出35%。采用这种新结构的器件最大功率效率可以达到5.0lm/W。虽然全磷光白光器件具有较高的效率,但其寿命相比全荧光白光器件要短得多。对于用于照明的白光器件来说,寿命和效率一样都是非常重要的。所以全荧光白光器件的研究也非常有意义。这里我们采用红荧烯超薄层作为白光器件的黄色发光层,高荧光效率的蓝光染料DSA-ph掺入母体MADN中作为器件的蓝色发光层,制作了结构为ITO/ m-MTDATA (30 nm)/NPB (20 nm)/ rubrene超薄层5% DSA-ph doped MADN (20 nm) / Bphen (40 nm)/ LiF/ Al的器件。由于浓度淬灭效应的存在,rubrene超薄层的厚度对器件的效率影响很大,通过实验对比,我们发现rubrene层厚度为0.05m时器件的效率比较高。此时器件在8V下亮度就可以达到10000cd/m2,最大电流效率可以达到8.69cd/A,功率效率则可以达到5.5lm/W。另外,通过对器件的发光测试发现器件的色坐标随电压的增大会发生一定程度的偏移,我们通过对器件的发光机理进行了深入研究,最终对这一色坐标的变化给出较为科学合理的解释。我们根据红绿蓝三色合成法制备了白光器件,由于蓝色磷光染料的寿命较差,这里我们采用蓝色荧光材料DSA-ph掺杂母体MADN:我们选用的红色磷光染料为Ir(piq)2(acac),绿色磷光染料为Ir(ppy)3。为了获得色坐标比较稳定的白光器件,我们将Ir(piq)2(acac)和Ir(ppy)3共掺入母体CBP中。制作的器件结构为ITO/m-MTDATA (30 nm)/NPB (20 nm)/CBP:15% Ir(ppy)3:1% Ir(piq)2(acac)(15 nm)/NPB(x nm)/MADN:5% DSA-ph(10 nm)/Bphen(40 nm)/LiF(0.8 nm)/Al(100 nm)。其中,我们在两个发光层间加入NPB层的目的是为了调节器件的发光颜色：随着NPB层厚度增大,器件发光光谱中的蓝光发射会增强,红绿光发射会减弱。经过实验对比发现,NPB厚度为3 nm时,器件色坐标最接近白光等能点(0.33,0.33),且随着驱动电压的不断变化,器件的色坐标能始终保持位于白光区域。器件在6V下电流效率达到最大值8.0cd/A,器件亮度可以达到16890cd/m2。我们用磷光敏化的方法来制备高效率白光器件。我们用高效率的绿色磷光染料Ir(ppy)3敏化黄色荧光染料rubrene作为器件的黄光发光层,还采用蓝色荧光材料DPVBi作为器件的蓝光发光层。我们先通过实验验证了Ir(ppy)3的三重态与DPVBi的不发光的三重态之间存在能量转移：由于DPVBi的三重态能级比Ir(ppy)3的要低,所以Ir(ppy)3的部分三重态会通过Dexter能量转移机制将能量传递给DPVBi的不发光三重态,这样就会有能量的浪费。我们知道Dexter能量转移是近程能量转移过程,有效范围很短,所以我们通过在两个发光层间插入一薄层CBP来阻断两者之间的能量转移。最终发现2nm厚的CBP就能有效地阻断这一能量转移过程,提高器件的发光效率。最终我们制备出的白光器件最大电流效率可达10.7cd/A,最大亮度可以达到22360cd/m2。

摘要译文

关键词：

白色有机电致发光器件; 蓝光; DSA-ph; 磷光敏化

学位年度：

2011

学位类型：

博士

学科专业：

微电子学与固体电子学

导师：

全宝富赵毅

中图分类号：

TN383.1;TN383[发光器件⑨]

学科分类号：

0803[光学工程];080501[材料学];080502[材料物理与化学];080902[微电子学及固体电子学]