13Lecture13_OLED层状结构原理

西安邮电学院 光电信息工程教研室 Yangsiwei.com
新型显示技术
New Display Technology
主讲：刘 琳
西安邮电学院光电信息工程教研室
Email：liulin@xupt.edu.cn 西安邮电学院 光电信息工程教研室 2008～2009学年第二学期
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有机电致发光结构与材料
阴极
Biblioteka Baidu
阳极 (ITO)
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Cathode (Al, 100nm)
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有机电致发光材料
西安邮电学院 光电信息工程教研室
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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。
阴极
阳极 (ITO)
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元件的寿命
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 7000000 hr·cd/m2;蓝光为300000 hr·cd/m2;红橙色为 1600000 hr·cd/m2。
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注入
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
真空能级 ITO LUMO ITO电极逸出功 HOMO 发光层 金属电极逸出功
电子注入势垒
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发光
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。
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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。
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器件老化
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
阴极电极 阴极电極
电子传输层 电子傳導层 (ETL) 发光层(EML) 空穴传输层 空穴傳導层 (HTL) 空穴注入层 (HIL) ITO 阳极电极 玻璃基板
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注入
OLED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。
EML (Alq3, 35nm) HTL (NPD, 50nm) Anode (ITO) glass
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
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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。
环境温度 •焦耳热 •工艺温度
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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。
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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。
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元件的衰变(2)
无机材料元件衰变可分为两种: (1) ITO的表面污染。器件中的ITO表面必须没有有机杂质。 表面遗留物会导致工作电压升高，效率和使用寿命降低。 (2)阴极的腐蚀。阴极腐蚀是最常见的导致器件衰变的原 因。如果封装得不好器件就会出现被氧化的黑点。
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liulin@xupt.edu.cn
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OLED各层材料
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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 。
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发光
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。
空穴注入势垒
Al
单层器件能级示意图
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传输
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。