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、成本低、温度范围宽、响应速度快、发光颜色连续可调、可实现柔性显示、工艺比较简单等优点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，它成为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，近年内，越来越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道层出不穷，有机电致发光技术也得到了飞速的发展。

有机电致发光器件按照光从器件出射方向的不同，可以分为两种结构：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优点，因此顶发射型器件具有非常良好的发展前景。

而对于顶发射型器件来说，它的有机层结构与底发射型器件的结构基本一致，所以对于顶发射型器件电极的研究具有非常重要的意义。

关键词：电致发光顶发射
Abstract
Organic light-emitting diode (OLED), due to its low energy consumption, self-luminous, wide viewing angle, low cost, wide temperature range, fast response, continuously adjustable, luminous colors, flexible display, the process is relatively simple, to attract the attention of experts and scholars in display researching field all over the world. It became the star of hope which most likely to replace liquid crystal display. Researching of the organic light-emitting diode began in 1963, and in recent years, more and more researchers come to research the organic light-emitting diode. New materials, new structures of organic light-emitting diode reported in an endless stream. OLED technology has been rapid development.
According to the different directions of the light emitting from the device, we can divide the OLED into two kinds. The one is bottom-emitting type device (BEOLED) and the other is top-emitting device (TEOLED). As the light emitting from the top of the TEOLED, it can ignore the effect of the bottom driving panel, so that it can effectively improve the opening rate, conducive to the integration of the device with the driving circuit. Top-emitting device can also improve the efficiency of the device, narrowing the spectrum and improve the color purity, so it has a good prospect for development. For top-emitting device, the organic layer structure and is basically the same with the bottom-emitting type device, so it has very important significance to study the electrodes of the top-emitting device.
Key word: top-emitting electroluminescent
1.引言
近几十年来，人类社会的科学技术得到了高速的发展，我们逐渐地迎来了一个信息化的时代。

信息与能源、材料一起成为了我们当今社会科学技术发展的重要要素。

信息已经成为了现代社会人们生活的物质基础并逐渐体现其重要的地位。

根据统计资料表明，目前全球信息总量以平均每年 13%的速度在增长，而我们预期今后这个速度更将提升到每年 50%左右。

信息量的增长如此迅猛，而作为接受信息的一方，人类有 70%以上的信息获取是通过视觉来完成的。

因此，信息显示技术的发展成为了推动人类信息技术发展的重要一环。

近年来，越来越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得到了迅猛的发展。

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比具有体积比较小、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优点，因而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。

但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之处，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、必须依靠背光源发光等问题。

由于其自身的这些缺点导致液晶显示器件越来越无法满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找到性能更好的可以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，它成为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以及传统的平板显示器相比，有机电致发光器件具有：低电压直流驱动能耗较低，发光颜色连续可调，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，成本低等特性。

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起了极大的关注，吸引了越来越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发展历史
有机电致发光显示,又称有机发光二极管或有机发光显示(Organic Light Emitting Device),是自20世纪中期发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。

有机电致发光的早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第一个报道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掺杂等手段,获得分子晶体电致发光,但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还没有任何使用价值,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,特别是在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以内。

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的电压下获得了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的工作电压下得到了亮度为1000 Cd/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。

这一突破性进展使得有机发光器件的研究得以在世界范围内迅速且深入地开展起来。

1988年日本九州大学的Adachi等人以聚乙烯咔哩为发光层,改进了器件的结构,获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首次报道了使用寿命已达到10000小时的双层结构有机发光器件。

1997年,Forrest等发现磷光电致发光现象,突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比最大的区别是有机材料可以沉积在任何的衬底之上，这一特性使得有机电致发光器件可以做的质量很轻并且可以做的柔性显示。

同时有机电致发光器件的效率同传统器件相比也有很大的优势，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，从理论上来说，磷光有机电致发光器件的内量子效率能够高达 100%，这些优点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可以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，这样就节省了很多能源的消耗。

综上所述，与传统显示器件相比，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，因而器件的质量相对较轻;
2) 器件可以实现柔性显示，这样器件就可以弯曲，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，这样就使得器件的功耗较低，可以节省能源;
4) 器件的效率与传统器件相比较高;
5) 器件的发光颜色较丰富，可以实现全色发光;
6) 器件的温度特性比较突出，其特性随温度的变化较小，这样器件就可以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，器件的生产成本比较低;
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，在显示高速连续运动的图像时表现较好;
11) 器件可以自发光，这样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过程及原理
器件的电致发光过程就是一个能量转移的过程，它将电能转化为光能，在这个转化的过程中，我们可以把有机电致发光器件看成是一个注入型的发光二级管。

我们在有机电致发光器件的两端加上电压，通过这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为有机电致发光过程的能级示意图。

图4 有机电致器件发光过程的能级示意图
4.1 载流子的注入过程
载流子的注入过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过程。

目前，对于载流子注入机理的研究主要可以分为四种不同的理论：分别为隧道贯穿理论，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 载流子的传输过程
载流子的传输过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到达发光层的过程。

载流子的迁移速率是表征载流子的传输性能的物理量，我们可以采用“飞行时间法”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，我们在设计器件时，要对载
流子的迁移率加以考虑，尽量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 激子的形成过程
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几率是单线态的三倍，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。

下图为激子形成过程示意图。

图 4.3 激子形成过程示意图
4.4 激子的复合过程
激子的复合主要可以分为辐射复合以及非辐射复合两种。

其中激子通过辐射复合从激发态跃迁回基态，在这个跃迁的过程中能量是通过光的形式向外传播的，这以过程便是激子的辐射复合发光过程。

而如果激子复合的能量以声子的形式传递给周围的分子并转变为热能，这就形成了激子的非辐射复合。

因此我们在设计器件的时候要尽量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
我们主要从电学和光学两部分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变化的特性曲线、亮度随电压变化的特性曲线等。

光学性能主要包括器件的光谱、电流效率随电压变化特性曲线、功率效率随电压变化曲线、器件的亮度、色坐标以及寿命等。

5.1 光谱
光谱是表征器件所发射的光的强度随着波长变化的物理量。

对于有机电致发光器件来说，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。

我们通过对机电致发光器件的两种光谱进行分析对比能够知道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、光功率效率以及量子效率三种。

其中流明效率ŋ
（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
l
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。

而对于量子效率来说，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部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。

外量子效率可以通过器件的发光光谱来进行估算，或者使用积分
球来进行计算。

想要提高器件的效率我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几率，我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，我们要尽量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，我们要对器件的结构进行分析和考虑，尽量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）是衡量器件发光明亮程度的物理量，我们可以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 150000 Cd / m2。

其中L为亮度，Km为光功当量，它的值为683 lm / W ，L
为辐射亮度，表示辐射功率随
e，λ
波长的分布，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 赋值就可以在色度图上确定一个点，这个点就可以精确表示发光颜色。

下图即为色坐标图。

图中的任意一点都可以精确的表示出发光的颜色。

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 时所消耗的时间[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，即可以连续工作一年以上。

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变化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,当超过一定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,还可以得到启动电压的信息。

启动电压一般定义为亮度为1Cd/m2的电压。

6.顶发射型有机电致发光器件简述
有机电致发光器件根据光从器件出射方向的不同，可以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
从上图我们可以看出，如果我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分可以从器件底部的驱动面板上设计的开口处射出，这使得大部分地发光都被浪费了，从而导致器件的开口率较低，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％，这有利于获得显示亮度高、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可以通过法布里-玻罗微腔的谐振条件获得，同时我们还可以通过改变微腔的各个参量来获得我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非常良好的发展前景，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，首先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，因而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电极进行修饰得到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。

其次，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 Current Applied Physics 上的一篇文章中提到了他们根据微腔理论，通过改变器件的厚度来实现对器件发光波长的调制，最终在实验中他们得到了色纯度非常高的蓝光器件。

最后，我们想要获得较高的光取出效率，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，这样可以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。

对于顶发射器件来说，除了电极部分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基本相同，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
尽管世界上众多国家或地区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,其原因主要是在该领域研究中尚有许多关键问题没有真正得到解决。

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发展的“瓶颈”问题。

要解决这一系列重大问题,必须从材料性能、新型器件结构、器件制备过程、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的发展上,我国是被动的;在LDC的发展上,我国是落后的。

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。

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

OLED显示器件的产业化时代正在到来,今后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
学硕士论文一次机遇。

只要我们加强电致发光材料和器件的研究工作,就一定能在新材料、新结构、新方法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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8.科研训练心得
大学生科研训练是培养学生具有创新能力的重要环节,目前全国很多学校把大学生参加科研训练作为提高大学生科研素质的重要途径。

通过本次科研训练我学会了科技论文撰写的基本要求。

即科技论文是由科技工作者对其创造性研究成果进行理论分析和科学总结，并得以公开发表或通过答辩的科技写作文体，一篇完备的科技论文，应该按一定的格式书写，并具有科学性、首创性和逻辑性；还应按一定的方式发表，即有效出版。

科技论文的类型一般有论证型、科技报告型、发现发明型、计算型和综述型五种。

作为科技报告型论文要求有作者自己的新见解，应提供所研究项目足够的信息，写出的原始资料必须准确，可以包括正反两方面的经验和结果，使之成为进一步研究的依据。

一篇好的综述型论文应包含有前人未曾发表过的新思想和新资料，还要求撰写者在
综合分析和评价已有资料的基础上，提出特定时期内有关学科或专业领域的演变规律和发展趋势。

写论文要避免使用含义笼统及一般化的词语；还应避免用不得体的华丽词藻，或过高过低的程度用语。

国内的科技期刊要求论文题名的用字不超过20个汉字，外文题名不超过10个实词。

另外题名中应尽量避免使用化学结构式、数学公式、不太为同行熟悉的外来语、符号、简称、缩写以及商品名称。

此次的科研训练还让我意识到，自己对本专业的发展现状及重大的科研成果没有多少认知，新能源材料与器件专业是非常有前景的专业，国家把它作为战略型产业来发展，掌握其最新的科研信息真的非常重要，所以我们只浅显的学到学校要求的专业知识是远远不够的，这就需要我们有较强的自主学习能力，要跟上科技时代的发展，自己在今后的学习生活中会积极了解有关本专业的前沿科技信息，自主学习本专业相关技术的应用并积极培养自主创新的能力。

最后感谢学校组织科研训练这项活动，更要感谢老师对我们的严格要求和悉心指导。