有机电致发光器件的研究进展

文章编号:100525630(2006)0620078206

有机电致发光器件的研究进展Ξ

何修军1,蒋孟衡1,肖子剑2,涂小强1(1.成都信息工程学院光电技术系,四川成都610225;

2.电子科技大学光电信息学院,四川成都610054)

摘要:系统介绍了有机电致发光器件(OLED)

的结构和发光机理,从有机半导体的能带

结构和OLED的能带结构,分析了OLED发光过程,指出了如何提高器件的发光效率。最后概述了器件的技术进展和应用前景,并展望了未来OLED发展的方向。关键词:有机电致发光器件;能带结构;发光机理中图分类号:TH383 文献标识码:A

Researchontheorganiclight-emittingdevicesHEXiu2jun1,JIANGMeng2heng1,XIAOZi2jian2,TUXiao2qiang1(1.ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225,China

;

2.SchoolofOptoelectronicInformation,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China

)

Abstract:Thestructureandthelightemittingmechanismoftheorganiclight2emittingdevices

(OLED)isintroduced.Thebandstructureoftheorganicsemiconductorandthebandstructureofthe

OLEDisanalyzedandthesubstanceoftheOLEDluminescenceprocessisgiven.Intheend,therecentadvancesintechnologyandtheapplicationforegroundonthedevicesaresummarized,andfuturedevel2opmentsaregiven.Keywords:OLED;bandstructure;lightemittingmechanism

1　引　言随着科学技术的不断进步,显示器也在迅速地更新换代。有机电致发光器件(organiclight2emitting

devices,OLED)以其优越的性能脱颖而出,具有如下优点

[1～3]

:

(1)结构简单,体积小,重量轻,成本低,易进行大规模、大面积生产,具有超薄、大面积、便于携带、平板

显示等特点。(2)主动发光,视角范围大,接近于180°;响应速度快,图像稳定,图像刷新率比液晶显示器快100倍～

1000倍;发光效率高,亮度大,可实现全色显示。(3)有机材料的机械性能好,易加工成各种形状;可以采用树脂作为基板,制备可折叠的柔性显示器。

(4)驱动电压低,能耗低,能与半导体集成电路的电压相匹配,使大屏幕平板显示的驱动电路容易实

第28卷　第6期2006年12月 光　学　仪　器OPTICALINSTRUMENTSVol.28,No.6December,2006

Ξ收稿日期:20062012

06

基金项目:四川省科学基金资助项目(04JY0292104

)

作者简介:何修军(19722),男,四川仪陇人,讲师,硕士,主要从事发光材料与器件方面的研究。现。(5)全固态结构,抗震性能好,因而可以适应巨大的加速度和剧烈振动等恶劣环境。

OLED的应用前景非常诱人,它完全可以代替阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、发光二极管

(LED),实现显示器件的轻量化、薄型化、高亮度、快速响应、高清晰度、低电压化、高效率化和低成本化。

另外,它还可以作为新型光源使用。现从OLED的结构和发光原理、种类、发光效率以及存在的问题和发展方向等方面作一概述,以期能对国内外学者在此方面的研究有所帮助。

2　OLED器件的结构及发光机理2.1　OLED器件的结构[4]OLED器件的基本结构属于夹层式结构,发光层被两侧电极像三明治一样夹在中间,一侧为透明电极以便获得面发光输出。阳极一般使用功函数较高的材料即氧化铟-氧化锡(ITO)。在ITO上再用蒸发蒸

镀法或旋转涂层法制备单层或多层有机膜,膜上面是金属阴极。由于金属的电子逸出功函数影响电子的注入效率,因此要求其功函数尽可能低。大多数有机电致发光材料是单极性的,同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机材料很少,一般只具有良好传输空穴的性质或传输电子的性质。为了增加空穴和电子的复合几率,提高器件的效率和寿命,

OLED的结构从简单的单层器件发展到双层器件、三层器件甚至多层器件,如图1。

图1　有机电致发光器件结构图EL2发光材料;HTL2空穴传输层;ETL2电子传输层;ELL2空穴传输层;HIL2空穴注入层;EIL2电子注入层。因为采用单极性的有机物质作为单层器件的发光材料,会使电子与空穴的复合自然地靠近某一电极,

当复合区越靠近这一电极,就越容易被该电极所淬灭,而这种淬灭有损于有机物的有效发光,从而使OLED发光效率降低。采用双层、三层甚至多层结构的OLED,能充分发挥各功能层的作用,调节空穴和电子注入到发光层的速率,使注入的电子和空穴限制在发光层处发生复合,可提高器件的发光效率。只有使注入的电子和空穴最大限度地在发光层处复合,才能提高器件的发光效率。由于大多数有机材料导电性能较差,只有在很高的电场强度下才能使载流子从一个分子流向另一个分子,因此有机膜的总厚度不宜超过几百纳米,否则器件的驱动电压太高,失去了OLED的实际应用价值。2.2　OLED的发光机理OLED的发光机理一般认为是在外界电压的驱动下,由电极注入的电子和空穴在有机物中相遇,并将能量传递给有机发光分子,将电能转换为分子内能,使其受到激发,从基态跃迁到激发态,当受激发分子从激发态回到基态时辐射跃迁而产生发光现象。OLED的发光过程可以看作是分以下四个过程完成的,如图2:(1)载流子的注入,电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹在电极之间的有机功能薄膜层;(2)载流子的传输,载流子分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移;(3)复合,空穴和电子在发光层中相遇而复合;(4)激子产生,并通过辐射和非辐射过程释放能量,同时发光。

・97・第6期何修军等:　有机电致发光器件的研究进展　为了提高器件的效率和寿命,研究工作者们不仅进行了如图1中宏观的器件结构改进,制作出从单层到多层的OLED,而且近年来将研究热点集中在从微观上对构成OLED的层与层内表面的相互作用进行研究,提高有机材料功能层与无机ITO玻璃表面、阴极表面及各有机功能层间的附着性,使得来自阳极和阴极的载流子更容易注入到有机功能薄膜中。

图2　OLED的发光过程3　OLED的能带结构3.1　有机半导体的能带结构制造高效OLED的一个重要的研究内容是OLED的发光机制,它首先要解决的就是有机发光材料的能带结构。绝大多数有机电致发光材料属于有机半导体,它们普遍具有长程无序、短程有序的特点,分子间的相互作用是范德瓦尔斯力,分子内电子的局域性强,属于非晶固体,这种结构对电子的输运不利。但考虑到有机半导体具有光吸收边及其电导率与温度成反比的关系,表明有机半导体也存在能带结构。熟知无机半导体的能带结构,但无机半导体材料的结构特征是原子周期性排列,即长程有序。通过原子轨道的强相互作用形成导带和价带,外层电子可在整个晶体中运动,电荷输运容易。上述分析表明有机半导体的能带结构不能直接套用无机半导体的能带结构,这里借用无机半导体的能带理论来进行分析。有机半导体的能带结构可以这样考虑,每个分子由多个原子组成,各原子轨道配对组合形成分子轨道时,轨道的数目不变,但能级发生变化。两个能级相近的原子轨道组合成分子轨道时,通过自旋相反的电子配对形成能级低于原子轨道的成键轨道,多个成键轨道之间交叠、简并,从而形成了一系列扩展的电子态,即电子能带。同时,分子的空穴能级对应生成分子的反键成键轨道。其中电子成键轨道中最高的被占据分子轨道(highestoccupiedmolecularorbits)被称为HOMO,空穴成键轨道(反键)中

最低的未被占据分子轨道(lowestunccupiedmolecularorbits)被称为LUMO,与无机半导体晶体的能带

相比较,可以把有机半导体中的电子成键轨道比作无机半导体的价带,反键成键轨道比作导带,LUMO是导带底,HOMO则是价带顶,如图3,这就是有机半导体的能带结构[5]。

图3　有机半导体的能带结构 图4　OLED的能级结构图3.2　OLED的能级结构图及分析图图4为OLED双层器件的基本能级结构图。将材料按照其功能分为:空穴传输层、发光层和电子传输层。有机光电材料分别通过最高占有分子轨道(HOMO)和最低空分子轨道(LUMO)

传输空穴和电子。在

OLED中,各层的能级匹配对于提高器件的效率和寿命来说是非常重要的。因此,有机光电材料的能带结构(HOMO和LUMO)的表征对优化选择合成材料,提高和完善器件的性能以及设计多层结构的电致发

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