oled器件結(jié)構(gòu)與發(fā)光機理

1、,,光電顯示技術(shù) B,教材：,《液晶與平板顯示技術(shù)》，作者：高鴻錦，北京郵電大學出版社，第1版 2007參考書：1、《平板顯示技術(shù)》 應(yīng)根裕 胡文波 邱勇，人民郵電出版社 2002 年10月2、《光電顯示技術(shù)》 張興義，北京理工大學出版社 19953、《顯示技術(shù)與顯示器件》 彭國賢，人民郵電出版社 1981參考資料：搜索引擎（Google、baidu）臺灣各高校網(wǎng)絡(luò)資源陜西科技大學等離子體課件麻省理工OLED課件,教材

2、資料,國內(nèi)相關(guān)研究所、院校、公司以及論壇,www.ndsaw.com中國電子科技集團公司第五十五研究所國家平板顯示工程技術(shù)研究中心www.guoxian.com 南京國顯電子公司www.seu.edu.cn 東南大學顯示技術(shù)研究中心www.sust.edu.cn 陜西科技大學電氣與電子工程學院www.boe.com.cn 京東方科技集團股份有限公司http://bbs.oecr.com/光電論壇http://www.coe

3、ma.org.cn/bbs/中國光學光電子行業(yè)論壇http://cn.fpdisplay.com/forum/default.asp液晶論壇http://www.opticsky.cn/index.php光行天下論壇http://www.dpmtime.com/bbs/大屏幕顯示論壇http://www.olight.com.cn/bbs/ OLED中國論壇http://www.fpdclub.net/液晶之家http:/

4、/www.cscbbs.com/omp/index.php 光機人,考核方式,平時成績：30％期末考試：70％考試方式：閉卷記分方式：百分制,OLED顯示技術(shù) OLED器件結(jié)構(gòu)與發(fā)光機理,1. OLED器件結(jié)構(gòu)2. OLED發(fā)光機理3. OLED能量傳遞,OLED 屬于注入型發(fā)光器件，其基本結(jié)構(gòu)是將有機薄膜層夾在兩個電極（至少其中一個電極為透明電極）間形成的夾層式結(jié)構(gòu)。 為了適應(yīng)材料性能和

5、器件性能的要求，人們又研究開發(fā)了多種器件結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在提高器件發(fā)光效率和性能穩(wěn)定性方面起到了非常重要的作用。 有機電致發(fā)光器件中的主要有機功能層包括：空穴傳輸層（Hole Transport Layer, HTL）、電子傳輸層（Electron Transport Layer, ETL）、發(fā)光層（Emitting Layer, EML）、空穴注入層（Hole Injection Layer, HIL）、空穴

6、阻擋層（Hole Blocking Layer, HBL）等。,1. 有機/聚合物電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),在器件的正極和負極間，制作有一種或多種物質(zhì)組成的發(fā)光層。單層器件的發(fā)光層厚度通常在100nm。,單層EL器件結(jié)構(gòu)圖,優(yōu)點：制備方法簡單。缺點：A.復合發(fā)光區(qū)靠近金屬電極而靠近金屬電極處缺陷多，非輻射復合幾率大，而且該處的高電場容易產(chǎn)生發(fā)光淬滅； B.由于兩種載流子注入不平衡，載流子的復合幾率比較低，因而影響器件的發(fā)光效率。

7、,用途：一般不用于發(fā)光器件，主要用于測量有機材料的電學和光學性質(zhì)單層器件結(jié)構(gòu)在聚合物電致發(fā)光器件（PLED）中常見,聚合物分子量大，可通過旋涂方式成膜，但制備雙層聚合物薄膜較為困難，因此，從加工角度講，聚合物器件只能采用單層結(jié)構(gòu)。 聚合物的長分子鏈結(jié)構(gòu)保證了聚合物薄膜的平整、均勻性，而且可以同時引入空穴基元、發(fā)光基元和電子基元，因此單層聚合物器件也可以有較好的性能。,（1）單層結(jié)構(gòu),1. 有機/聚合物電致

8、發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),在陽極材料的選擇上，材料本身必需是具高功函數(shù)（High work function）與可透光性，所以具有4.5eV-5.3eV的高功函數(shù)、性質(zhì)穩(wěn)定且透光的ITO透明導電膜，便被廣泛應(yīng)用于陽極。 在陰極部分，為了增加元件的發(fā)光效率，電子與空穴的注入通常需要低功函數(shù)（Low work function）的Ag、Al、Ca、In、Li與Mg等金屬，或低功函數(shù)的復合金屬來制作陰極（例如：Mg-Ag鎂銀）。,OLED電極材

9、料,（2）雙層器件結(jié)構(gòu) 柯達公司首先提出了雙層有機膜結(jié)構(gòu)，有效地解決電子和空穴的復合區(qū)遠離電極和平衡載流子注入速率問題，使有機EL的研究進入了一個新階段。他們的器件結(jié)構(gòu)也叫DL-A型雙層結(jié)構(gòu)。 主要特點: 發(fā)光層材料具有電子傳輸性，需要加入一層空穴傳輸材料去調(diào)節(jié)空穴和電子注入到發(fā)光層的速率，這層空穴傳輸材料還起著阻擋電子的作用，使注入的電子和空穴在發(fā)光層處發(fā)生復合。,DL-A型雙層EL器件結(jié)構(gòu)圖,1. 有機/聚合物電

10、致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),DL-B型雙層EL器件結(jié)構(gòu)圖,如果發(fā)光層材料具有空穴傳輸性質(zhì)，就需要使用DL-B型雙層結(jié)構(gòu)，即需要加入電子傳輸層以調(diào)節(jié)載流子的注入速率，使注入的電子和空穴是在發(fā)光層處復合。,1. 有機/聚合物電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),空穴傳輸材料應(yīng)滿足的要求： ? 具有良好的空穴傳輸特性，即空穴遷移率高； ? 具有較低的電子親和能，有利于空穴注入； ? 激發(fā)能量高于發(fā)光層的激發(fā)能量； ? 不能與發(fā)光層形成激基復合物；

11、 ? 具有良好的成膜性和較高的玻璃化溫度，熱穩(wěn)定性好，可以用真空蒸發(fā)法形成致密的薄膜，不易結(jié)晶。,OLED空穴傳輸材料,常用的空穴傳輸材料分子結(jié)構(gòu),TPD是最早應(yīng)用的空穴材料之一，但由于其熱穩(wěn)定性較差（Tg=65°C），導致器件的穩(wěn)定性較差，壽命較短。 為提高熱穩(wěn)定性，將TPD分子中的甲苯基換成萘基得到了NPD，NPD的熱穩(wěn)定性有了很大提高（Tg=96°C），空穴遷移率也有所提高，是目前應(yīng)用最廣

12、的有機小分子空穴傳輸材料。 星型三芳胺空穴傳輸材料具有很高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，并能形成高質(zhì)量的無定型膜，是比較理想的空穴傳輸材料。,OLED空穴傳輸材料,小分子發(fā)光材料應(yīng)滿足的要求： ? 具有高效率的熒光量子效率； ? 具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不與電極和載流子傳輸材料發(fā)生反應(yīng)； ? 易形成致密的非晶態(tài)膜，不易結(jié)晶； ? 具有適當?shù)陌l(fā)光波長；

13、 ? 具有一定的載流子傳輸能力。,發(fā)光材料按分子結(jié)構(gòu)特性分為有機小分子熒光材料和有機金屬配合物材料，前者種類最多，典型的小分子熒光有機電致發(fā)光材料如DCM發(fā)紅光，香豆素C540發(fā)綠光。,OLED小分子發(fā)光材料,另外，還有摻雜用小分子熒光材料如Rubrene。 有機配合物是最早使用的有機電致發(fā)光材料，具有優(yōu)良的載流子傳輸特性和成膜性能，典型的有8-羥基喹啉鋁（Alq3）及鈹?shù)慕j(luò)合物Bebq2。,OLED小分子發(fā)光材料,199

14、0年，劍橋大學的J. A. Burroughes等人首次報道了用聚合物薄膜制備的電致發(fā)光材料研究。,聚合物發(fā)光材料的特性: ? 當短波光照射時，在390nm～780nm的可見光范圍內(nèi)，聚合物粉末或溶液具有高效率的熒光； ? 具有較高的導電率，呈現(xiàn)良好的半導體特性； ? 具有良好的成膜特性，在幾百甚至幾十納米的薄膜內(nèi)基本無針孔； ? 穩(wěn)定性強，一般都具有良好的機械加工性能。,OLED聚合物發(fā)光材料,共軛聚合物用于電致發(fā)光的

15、優(yōu)點: ? 可通過旋涂的方法制成大面積薄膜; ? 可以通過化學結(jié)構(gòu)的改變或修飾來調(diào)節(jié)共軛聚合物的電子結(jié)構(gòu)、發(fā)光顏色; ? 雖然聚合物的導電率很低,但是發(fā)光層的厚度很薄(10nm～100nm),所以在很低的外電壓下,加在聚合物薄膜上的電場強度也足以產(chǎn)生使器件發(fā)光所要求的電流密度。缺點：穩(wěn)定性不夠；壽命不長；發(fā)光效率低；成膜技術(shù)不成熟。,OLED聚合物發(fā)光材料,電子傳輸材料應(yīng)滿足的要求： ? 具有良好的電子傳

16、輸特性，即電子遷移率高； ? 具有較高的電子親和能，易于由陰極注入電子； ? 相對較高的電離能，有利于阻擋空穴； ? 不能與發(fā)光層形成激基復合物； ? 成膜性和熱穩(wěn)定性良好，不易結(jié)晶。,OLED電子傳輸材料,三層EL器件結(jié)構(gòu)圖,（3）三層器件結(jié)構(gòu) 由空穴傳輸層（HTL）、電子傳輸層（ETL）和將電能轉(zhuǎn)化成光能的發(fā)光層組成。HTL負責調(diào)節(jié)空穴的注入速度和注入量, ETL負責調(diào)

17、節(jié)電子的注入速度和注入量。 優(yōu)點: 使三層功能層各行其職，對于選擇材料和優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)性能十分方便，是目前有機EL器件中最常采用的器件結(jié)構(gòu)之一。,1. 有機/聚合物電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),多層EL器件結(jié)構(gòu)圖,（4）多層器件結(jié)構(gòu) 可提高OLED的發(fā)光亮度和發(fā)光效率。主要形式： A.在兩電極內(nèi)側(cè)加緩沖層，以增加電子和空穴的注入量； B.為提高器件的發(fā)光效率，使用了空穴阻擋層HBL。,1. 有機/聚合物電

18、致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),（5）染料摻雜型在單雜基礎(chǔ)上引入染料分子以改變器件的亮度、壽命和效率。摻雜型主要有三種D－1：Cathode/ETL+EML/HTL/ITOD－2：Cathode/ETL/HTL +EML /ITOD－3：Cathode/ETL+EML/HTL +EML /ITO采用分散復合膜制作OLED器件中增加載流子阻擋層,1. 有機/聚合物電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),上發(fā)光型OLED結(jié)構(gòu)穿透式OLED結(jié)構(gòu)倒置式IO

19、LED結(jié)構(gòu)串聯(lián)式OLED結(jié)構(gòu),Company name,（6） 特殊器件結(jié)構(gòu),1. 有機/聚合物電致發(fā)光器件的結(jié)構(gòu),上發(fā)光型OLED結(jié)構(gòu),下發(fā)光型實際發(fā)光面積受限需提高開口率?陰極：高透射率 良好的導電度 金屬 Mg:Al/ITO 70% 非金屬 CuPc/Li/ITO 85%?陽極: 上發(fā)光型 高功函數(shù) 高反射率 Al/ITO Ag/ITO ?適于采用主動矩陣設(shè)計,上發(fā)光型器件,下發(fā)光型器件,穿透式OLED

20、結(jié)構(gòu),透明陰極極，透明度很高（85%），光線能雙向通過使得上下兩邊出光量一致優(yōu)勢在于不顯示信息時面板是半透明的，顯示信息時從兩邊都可以接受到信息透明OLED器件結(jié)構(gòu)的引入，拓展了OLED的應(yīng)用范圍運用與汽車、飛機等的平板顯示,Company name,穿透式器件,倒置式結(jié)構(gòu)（IOLED),與一般OLED元件的制作流程相反主要優(yōu)勢：適合于n-溝道a-Si薄膜晶體管結(jié)合 ，便于制作大面積高效率的主動矩陣驅(qū)動器件缺點：電荷注入問題

21、 低功函數(shù)金屬不能使用 效能降低,倒置式的OLED結(jié)構(gòu)示意圖,串聯(lián)式結(jié)構(gòu),利用透明的連接層，將數(shù)個發(fā)光元件串聯(lián)起來比傳統(tǒng)的OLED發(fā)光效率高壽命比傳統(tǒng)OLED更長選擇、設(shè)計、制作合適的連接層材料是該技術(shù)的關(guān)鍵缺點：驅(qū)動電壓隨著元件串聯(lián)的數(shù)目而成倍增加增加,傳統(tǒng)與串聯(lián)式OLED技術(shù)比較,能帶理論模型：相對晶體固體的能帶模型來說：價帶頂 HOMO （分子最高占據(jù)分子軌道 ）導帶底 LUMO（分

22、子最低未占據(jù)軌道 ）帶隙Eg是HOMO與LUMO之間的寬度，離化能Ip是真空能級與HOMO之間的能量差,電子親和勢Ea是真空能級與LUMO之間的能量差,,,Eg,Ea,,,Ip,,LUMOHOMO,,,,,,,,,能量,,,2. OLED的發(fā)光機理,三層結(jié)構(gòu)的OLED的能帶圖,2. OLED的發(fā)光機理,1．在外加電場的作用下載流子的注入：電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能薄膜注入。2．載流子的遷移：注入的電子和

23、空穴分別從電子輸送層和空穴輸送層向發(fā)光層遷移。3．載流子的復合：電子和空穴復合產(chǎn)生激子。4．激子的遷移：激子在電場的作用下遷移，能量傳遞給發(fā)光分子，并激發(fā)電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。5．電致發(fā)光：激發(fā)態(tài)能量通過輻射躍遷，產(chǎn)生光子，釋放出能量。,有機電致發(fā)光過程由以下五個步驟完成:,電子空穴的傳輸過程示意圖（M、N分別代表空穴和電子傳輸材料分子）,發(fā)光過程,,2. OLED的發(fā)光機理,,OLED器件發(fā)光過程 1) 載流子注入2)

24、 載流子傳輸3) 激子的形成4) 輻射發(fā)光,3. OLED的工作原理,（1）載流子注入,載流子的注入是指電子和空穴通過電極/有機界面注入到有機半導體材料的分子軌道能級的過程。載流子的注入效率直接影響著OLEDs器件的啟亮電壓、發(fā)光效率和壽命。由于正負電極的功函數(shù)與有機材料的分子軌道能級不匹配，存在能級差，導致有機層和電極之間形成界面勢壘，如上圖所示。因此，電子和空穴的注入需要克服界面勢壘，才能注入到有機功能層。有機功能層和電極間的

25、勢壘是影響載流子注入、器件亮度和效率的重要因素。關(guān)于載流子注入機制，目前主要有兩種理論：一種為隧穿注入，另一種為熱電子發(fā)射注入。,Ef——金屬的費米能級Evac——真空能級Φm ——金屬的功函數(shù)EA ——有機半導體材料的電子親和勢IP ——電離勢ΦB ——電子從金屬電極向有機半導體 材料注入的注入勢壘,Φm=Evac-Ef,ΦB=Φm-EA,2. OLED的發(fā)光機理,? 熱發(fā)射注入（Richa

26、rdson-Schottky(RS ）,,RS熱電子發(fā)射模型中，電子通過吸收熱聲子獲得能量從而翻越注入界面的勢壘（如圖過程1所示） ，RS熱電子發(fā)射模型中，電流密度JRS是電場強度E和絕對溫度T的函數(shù)，可以用下式表示：,式中：A——Richardson常數(shù)，A=4πem*kB2/h3;,ΦB——沒有外加電場時的注入勢壘高度/eV;e——單位電荷/C；m*——電子的有效質(zhì)量/g；kB——波爾茲曼常數(shù)/J·K-1；h——

27、普朗克常數(shù)/J·s；ε——材料的相對介電常數(shù)；ε0——真空電導率/F·m-1。,2. OLED的發(fā)光機理,E—電場強度；B—指前因子；,? 隧穿注入（Fowler-Nordheim(FN) ） 在FN隧穿模型中，電子在外場的作用下依照一定的幾率隧穿通過三角形注入勢壘（如圖過程2所示）。在FN隧穿模型中，,ΦB——沒有外加電場時的注入勢壘高度/eV；e——單位電荷/C；m*——電子的有效質(zhì)量/k

28、g；h——普朗克常數(shù)/J·s。,,2. OLED的發(fā)光機理,一般認為，在電場強度較小而且注入勢壘高度較小的情況下，載流子主要以RS熱電子發(fā)射模式越過勢壘，而在電場強度較大或者勢壘高度較高的情況下，載流子主要以FN隧穿的方式穿過勢壘。,2. OLED的發(fā)光機理,（2）載流子傳輸 將注入至有機層的載流子運輸至復合界面處。載流子在有機薄膜內(nèi)的遷移被認為是跳躍運動，跳躍運動依靠電子云的重疊來完成。衡量有機薄膜載流子傳輸能

29、力的一個主要指標是載流子遷移率。 目前所使用有機小分子空穴傳輸材料的遷移率一般在10cm2/V.s左右，而電子傳輸材料的遷移率相對低兩個數(shù)量級。 因此，開發(fā)新型高遷移率的電子傳輸材料是平衡載流子注入和提高載流子復合效率最有效的方法。,2. OLED的發(fā)光機理,研究載流子傳輸過程有許多重要意義：增強材料對電子、空穴的傳輸效果，降低器件工作電壓；增加器件內(nèi)載流子密度，能增加形成激子的概率，提高器件的亮度；調(diào)整電

30、子、空穴傳輸?shù)钠胶猓苊饣驕p少因器件中一種載流子數(shù)量過剩導致載流子通過器件內(nèi)部傳輸?shù)脚c注入電極相對的另一個電極而形成的漏電流，從而提高器件的效率。,2. OLED的發(fā)光機理,熒光和磷光材料熒光：單線態(tài) ；磷光：三線態(tài),單線態(tài)－單線態(tài),“重原子效應(yīng)”,三線態(tài)－單線態(tài),（3）激子復合和輻射發(fā)光,2. OLED的發(fā)光機理,分

31、子的多重態(tài)單重態(tài) 一個所有電子自旋都配對的分子的電子狀態(tài)。大多數(shù)有機物分子的基態(tài)是單重態(tài)。當基態(tài)一對電子中的一個被激發(fā)到較高能級，其自旋方向不會立刻改變，分子仍處于單重態(tài)。三重態(tài) 有兩個電子的自旋不配對而平行的狀態(tài)。激發(fā)三重態(tài)能量較激發(fā)單重態(tài)低。,2. OLED的發(fā)光機理,在有機電致發(fā)光器件中，能量轉(zhuǎn)移方式： 單線態(tài)?單線態(tài) ； 三線態(tài)?三線態(tài)； 單線態(tài)?三線態(tài)； 三線態(tài)?單線態(tài)。

32、對于熒光材料，它只能通過單線態(tài)?單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的方式來利用形成的單線態(tài)激子，因此其最高內(nèi)量子效率為20%，最高外量子效率為5%。 對于磷光材料，它即能通過三線態(tài)?三線態(tài)能量轉(zhuǎn)移的方式來利用形成的三線態(tài)激子，又能通過單線態(tài)?單線態(tài)能量轉(zhuǎn)移方式，然后經(jīng)過單線態(tài)?三線態(tài)的系間竄越來利用形成的三線態(tài)激子，因此其最高內(nèi)量子效率可達100%，最高外量子效率為25%。,目前三線態(tài)發(fā)光材料的不足之處： （1）室溫磷光材料較少，材料的選擇范

33、圍不大； （2）存在三線態(tài)?三線態(tài)淬滅，及磷光壽命長易使發(fā)光飽和，導致高電流密度下磷光器件的效率下降； （3）環(huán)境氧對三線態(tài)有很強的淬滅作用，影響器件的發(fā)光強度和壽命。,2. OLED的發(fā)光機理,3. OLED能量傳遞,1989年C.W.Tang等人首次報道了熒光染料DCM1、DCM2和C540摻雜主體材料Alq3的OLEDs器件，其器件的效率是沒有摻雜器件的2倍左右，實現(xiàn)了發(fā)光顏色從藍綠光到橙紅光的調(diào)節(jié)。從此，染料摻雜技術(shù)

34、成為改善器件發(fā)光效率和調(diào)節(jié)器件發(fā)光顏色的主要方法。1998年，F(xiàn)orrest等人發(fā)現(xiàn)了磷光電致發(fā)光現(xiàn)象，突破了有機電致發(fā)光材料量子效率低于25 %的限制，單線態(tài)激子和三線態(tài)激子都得到了利用，都參與輻射發(fā)光。在摻雜的OLEDs器件中，主體材料與摻雜染料之間的能量傳遞是個很重要的物理過程，了解染料摻雜體系中的能量傳遞過程對于合理地設(shè)計器件結(jié)構(gòu)、提高器件性能具有指導性意義。在有機電致發(fā)光器件中，主要涉及以下幾種能量傳遞過程：Förs

35、ter能量傳遞、Dexter能量傳遞以及載流子俘獲發(fā)光。,染料摻雜體系中的能量傳輸過程示意圖,Förster能量傳遞是通過給體激發(fā)態(tài)分子與受體基態(tài)分子間的庫倫作用而發(fā)生的，包括激發(fā)態(tài)給體與基態(tài)受體之間動量交換的偶極-偶極相互作用。激發(fā)態(tài)給體發(fā)生弛豫時，通過強的庫侖作用把能量傳遞給受體，庫侖作用是通過空間的電磁場傳遞的，是非接觸型的誘導作用，因此，是一種長程的能量傳遞，作用距離一般發(fā)生在5～10 nm。Förster能

36、量傳輸半徑越大，摻雜客體材料的濃度越高，相應(yīng)的能量傳遞的效率越高。當然，這要求主體材料要與客體染料具有很好的相容性，不會發(fā)生相分離。,Dexter能量傳遞是由電子交換而發(fā)生的，通過給體的激發(fā)態(tài)和受體的基態(tài)之間電子交換而實現(xiàn)的能量傳遞，Dexter能量傳遞存在一個可能是激基復合物或碰撞絡(luò)合物的雙分子中間體過程，這就要求給體和受體的電子云重疊，因此是一種短程現(xiàn)象。當給體與受體間距離超過~2 nm時，該作用可以忽略不計了。,在OLEDs器件中

37、，能量傳遞是普遍存在的，由于在熒光染料摻雜的器件中，摻雜染料的濃度一般較低（高濃度容易引起濃度淬滅），無法滿足Dexter方式的短程能量傳遞，所以主要通過長程的Förster機理傳遞能量。而在磷光染料摻雜的器件中，摻雜燃料的濃度一般較高（大于5 %），主體材料形成的單線態(tài)和三線態(tài)激子都能傳遞給磷光染料分子而發(fā)光，從而充分利用了主體材料中的所有激子，大大改善了器件的發(fā)光效率。,3. OLED能量傳遞,Yangsiwei.com,