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1、有机电致发光器件（OLED）中国西部科技2011-09月(中旬)第1O卷第26期总第259期刘德江贾许望(重庆师范大学物理学院光学工程重点实验室,重庆400047)摘要:系统介绍了有机电致发光器件的器件结构与发光机理,从有机半导体的能带和OLED件的结构,分析了载流子在有机物中传输,OLED.光过程,以及各有机薄膜层的作用,指出了如何提高器件的发光效率和提高器件性能的途径.最后概述了OLED件的现状及发展前景.关键词:有机电致发光器件;能带结构;载流子传输;发光机制DOI:10.5969/J.issn.167I一6396.2011.26.024Abstract:Thispaperintrodu
2、cedthestructureandmechanismoforganiclight-emittingdevice(OLEO).Basedonthebandstructureoforganicsemiconductor,theluminescenceprocesswasanalyzed.Therecentadvancesandtheapplicationforegroundofthedeviceweresummarized.Keywords:OLEO;Bandstructure:Carriermobility;Lightemittingmechanism1引言近年来,有机电致发光器件(organ
3、iclightemittingdiode,OLED)已经成为海内外非常热门的新兴平板显示器产业,被喻为下一代的”明星”平板显示技术.这主要是因为OLEO具有如下特点:第一,自发光,广视角(达170度以上),反应时间快(1s量级),发光效率高,面板厚度薄(小于2mm),可制作大尺寸与可弯曲式面板及制程简单,具有低成本的潜力(预估LTFTLCD便宜约20%).第二,材料选择范围宽(可实现从红光到蓝光的任何颜色的显示),与FED,PDP和LCD等平板显示相比,具有低的驱动电压(只需312V的直流电压),工作温度范围宽和不要求昂贵的生产线和设备.0应用前景非常诱人,完全可以代替其它平板显示器件,实现显
4、示器件的快速响应,高清晰度,薄型化,轻量化,低电压化,高效率化和低成本化而且,它还可以作为新兴光源使用.图1阴极垫鎏星电子传层空穴阻挡层发光屡电子阻挡层空穴传|.r层空穴注入层ITO(阳极)玻璃衬底图22OLED器件结构与器件物理2.1OLED器件的结构有机电致发光器件采用的是夹层式三明治结构,如图1所示,有机层(发光层)夹在两侧的电极之间,空穴和电子分别从阳极和阴极注入,并在有机层中传输相遇,相遇之后形成激子,激子复合发光.这种在阴阳极之间只夹有一层有机薄膜的器件口做单层有机电致发光器件,这层有机薄膜既作发光层,又兼作电子传输层和空穴传输层.为了优化器件结构性能,引入空穴传输层和电子传输层,
5、使三层功能层各施其职;为了降低器件的开启和工作电压,引入电子注入层和空穴注入层;为了减小直接流过器件而不形成激子的电流,引入电子阻挡层和空穴阻挡层.这样为了优化及平衡器件的各项性能,引入了多种不同作用的功能层,最后形成了多层有机电致发光器件,如图2所示.在OLED的某一具体的器件中,可能只包含其中的几层1自-0然7科-0学8甲期No:2O一02)8No60806047;重庆市自然科学基金(No:CSTC2009BB2237);重庆市教委科学技术研究项目(N.基金项目:国家自然科学基金(:);重庆市自然科学基金.(J;童厌币教委科竿投木针冤坝目II.KJ080816);重庆师范大学自然科学基金(
6、No:07XLB015,08XLS12)o作者简介:文0循江,.男,硕士研究生,研究方向为有机电致发光器件及应用.44子云的交叠很小,电子基本上绝域在一个分子内部运动,要从一个分子跳跃到另一个分子是很困难的,而且,有机分子很大,有机材料很难形成晶体,有机薄膜都为无定形态,这些都导致有机半导体中载流子迁移率很低.由于分子之间的封闭和独立,载流子在有机半导体中传输就像是在跳跃一样,叫做跳跃式运动方式.如图3所示.图中横线代表分子轨道,横线的位置代表轨道能量的高低,箭头代表电子,箭头向上和向下分别代表电子的两个自旋状态.虚线箭头代表电子的运动方向,图的左边是电子跳跃之前的状态;右边是跳跃之后的状态.
7、(A)表示载流子是电子,电子在LUMO上跳跃,电子跳跃方向向左;(B)表示载流子是空穴,电子在H0M0上跳跃,空穴跳跃方向向右.(LUM0为分子的最低未占有轨道,等价于半导体的导带底;HOMO为分子的最高占有轨道,等价于半导体的导带顶.有机半导体,由于本征载流子浓度很低,它的传输机制和绝缘体传输机制类似,只能靠从阴极注入LUMO中的电子和从阳极注入IHOMO中的空穴来完成.多层有机电致发光器件各功能层之所以能起到优良的作用,各施其职,主要由有机半导体能级结构以及载流子传输性质决定的.发光层和阴极之问的各层需要有优良的电子传输性能;同样发光层和阳极之间的各层也需要有优良的空穴传输性能.电子和空穴
8、在带隙相对较小的发光层复合发光.各功能层的一般能级结构如图4所示.先予=:=l空I空Iro(阳枉JI晨l晨l入I电子氲抽詹空失阻挡詹HOO图4电子从阴极注入,空穴从阳极注入,电子和空穴在带隙相对较小的发光层复合发光.电子阻挡层和空穴阻挡层把电子和空穴阻挡在发光层中.2.3提高器件性能的途径与各薄膜层的作用有机电致发光器件要求各功能层材料具有稳定的激发态,高的载流子迁移率,能形成统一致密的薄膜且稳定性好.(1)阳极材料:空穴在HOMO轨道上传输,要降低阳极和有机层间的势垒,要求阳极材料的功函数尽可能高,由于有机发光器件要求必须有一侧的电极是透明的,所以阳极一般采用高功函数的透明金属,如Au,Ni
9、和Pt,还有透明导电氧化物,如ITO,ZnO和AZO(A1:ZnO)等,最普遍采用的阳极材料是ITO,用酸或者等离子体处理过的ITO表面可以进一步提高ITO的功函数,进而改善空穴的注入效果.(2)阴极材料:电子在LUMO轨道上传输,要降低阴极和有机层间的势垒,要求阴极材料的功函数尽可能低,所以阴极材料采用低功函数的金属,如Ag,Mg,A1,Li,r_壅Ca,In和合金阴极Mg:Ag,LI:A1等.(3)空穴注入层材料:由于经过处理后的ITO功函数仍低于大部分空穴输运材料的HOMOf级,在ITO与空穴输运层之间加入一层空穴注入材料,减小ITO与空穴传输层界面间的势垒,将有利于增加界面间空穴的注入
10、如肽箐铜(CuPc),星状的多胺,聚苯胺.还可以通过将空穴传输材料进行部分氧化,ITO电极表面的有机功能化和无机物插层等实现提升空穴的注入.(4)电子注入层材料:电子注入层就是为了减小阴极与电子传输层界面间的势垒,增加界面间电子的注入.电子注入材料发展至今,种类繁多,如LiO,LiBO,CsCO,KSiO3,CH3COONa,CH3COOK,Cit3COOLi,NaF,LiF,CsF等.在电子传输层中进行n型掺杂也能降低电子注入势垒.空穴注入层和电子注入层的加入还能增加电极与传输层的黏合度,增大载流子注入接触和平衡电子与空穴注入等.(5)空穴传输层材料:有机电致发光器件中空穴传输层与阳极界面形
11、成的势垒要尽可能小,因为势垒越小,器件的稳定性能越好.理想的空穴传输材料除了具有高的空穴迁移率和能与阳极形成小的势垒外,还应具有高的热稳定性和能真空蒸镀形成无针孔的薄膜.有机胺类化合物,咔唑类化合物,有机硅化合物和有机金属配合物等都能够合成为很好的空穴传输材料.(6)电子传输层材料:要有利于注入电子的传输,电子传输材料应具有大的电子亲和势,高的电子迁移率,能形成统一致密的薄膜,具有高的激发态能级且能使激子复合区在发光层中而不是在电子传输层中.金属配合物(常用8一羟基喹啉铝作为电子传输材料),噫二唑类有机化合物,含氮五元杂环有机化合物,含氮六元杂环有机化合物,含氰基和含亚胺的有机化合物,全氟化的
12、有机化合物,有机硼化合物,有机硅化合物等都能够合成为很好的电子传输材料.(7)空穴阻挡材料:由于空穴传输材料的空穴迁移率比电子传输材料的电子迁移率要高得多,为了使电子和空穴能很好的在发光层复合形成激子并发光,常需要在OLED0作中使用空穴阻挡材料以阻止空穴到达电子传输层.空穴阻挡层应具有比发光层较低的HOMO级,具有大的电子亲和势和高的电子迁移率.0LED常用1,10一邻菲罗林衍生物BCP和1,3,5-=(N一苯基-2-苯并咪唑)苯TPBI作为空穴阻挡材料.有机硼化合物的合成也能够得到很好的空穴阻挡材料.(8)电子阻挡层材料:由于空穴传输材料的空穴迁移率比电子传输材料的电子迁移率要高得多,在0
13、LEDfI作中电子阻挡层的使用较少,只在一些特定的情况下使用电子阻挡层来减小直接流过器件而没有形成激子的电子.电子阻挡层应具有比发光层较高的LUMO能级,具有低的功函数和高的空穴迁移率.(9)发光层材料:发光材料从分子结构分为有机小分子化合物发光材料和有机高分子聚合物发光材料两种,它们的发光机理都是一样的.发光材料必须满足:高量子效率的发光特性,发光光谱主要分布在400760nm的可见一中国西部科技2011年09月(中旬)第10卷第26期总第259期光区域内;具有高的电子或者空穴或者两者兼有的传导能力:具有优良的成膜性,薄膜中不产生针孔;良好的热稳定性和光稳定性.在发光层中进行掺杂,利用能量传
14、递实现受激的基质分子到染料分子的能量转移,除了能实现提高发光亮度,发光效率和改变发光颜色外还能防止有机染料的浓度淬火.在有机分子上设计合成结构,性能各异的衍生物来满足要求:通过引入取代基对发射波长产生影响:引入给/吸电子基团调节发射波长,并提高电子和空穴注入平衡以及传输能力;引入大体积基团或形成非共平面的扭曲结构以减少链间聚集来减少发光淬灭,提高量子效率和提高稳定性.磷光发光材料的引入能使有机电致发光内量子效率提升至接近100%.3OLED器件的现状及展望OLED成型加工相对简便,直接利用喷墨打印技术形成复杂的图像和进行大规模,人面积生产,容易和其它产品集成,具有优良的性能价格比,有机平板显示
15、器件不受尺寸限制,能满足当今信息时代对显示设备更高性能和更大信息容量的要求.目前,OLED平板显示器件领域的研究已不冉仅限于学术界,几乎国际有名的电子公司和化学公司都投入巨大的人力和财力进入这一领域研究,呈现研究,开发与产业化齐头并进的局面.但是,该领域的研究尚有一些关键问题没有得到真正解决,主要是OLED的彩色化技术,制膜技术,高分辨显示技术,封装技术等方面存在重大基础问题尚不清楚,使得器件寿命短,效率低成为制约其广泛应用的瓶颈.同时,我们要看到,有机显示材料在短短十年中走过了无机显示材料三多年的发展历程,今后510年将是OLED产业化的关键时期.我们相信只要不断加强有机电致发光材料和器件的
16、研究,就一定能够在新材料,新结构和新方法上形成具有特色的研究方向和光电信息产业,提高在有机信息功能材料领域研究的整体水,在国际上争得_席之地.参考文献:1陈金鑫,黄孝文,田民波.OLED有机电制发光材料与器什M.北京:清华大学出版社,2007.2闰东航,王海波,杜宝勋.有机半导体异质结导论M.北京:科学出版社,2008.3S.A.VanSlyke,C.H.Chen,C.w.Tang,App1.PhysLett.,69,2160(1996).4ShirotaY,KuwabaraY,Inadatt.ApplPhysLett.2004.65:807.5YangY,HeegerAJ.ApplPhysL
17、ett,1994,64:1245.6PardoDA,JabbourGE,PeyghambarianN.AdvMater,2008(12):1249.7Lennie,Pokorny,SmithC.JoptSosAmA.2009(1O):1283.8黄春辉,李富友,黄维.有机电制发光材料与器件导论M.i海:复旦大学出版社,2005.(上接g25页)到2#PT二次回路,造成对2#PT的反送电,生大的空载励磁电流,使Kl,K2空开同时跳开.10I母1l2lll21122母FrK2一_1一一lI嚣It!曰0_10_产F,可能造成事故扩人.4电压切换回路造成母线=次失压的对策小母小母图2Pt并列回路原理图
18、通过上面的分析得知,造成这次事故的主要原因是电压切换装置的QK把手打在了并列位置,使得在合母联断路器时PT二次并列反送电,造成空开跳闸.3.2由刀闸的辅助触点引起的反送电线路隔离开关的辅助触点由于运行环境差,可靠性低,随着运行年限的加长,转换次数的增多,就会造成某些触点转换不到位或者接触不良等问题.线路保护所采集的母线电压是根据线路刀闸的辅助触点启动操作箱双位置切换继电器来进行母线电压的切换,如果刀闸辅助触点发生切换不到能,在倒母操作时,将引起反送电至停电PT.产生较大的空载励磁涌流,电压空开跳闸,在此故障情况45上述是目前电压切换回路出现问题而导致PT反发送电致使空开跳闸的两种情况,因此继保
19、人员和运行人员电压切换同路中应注意:(1)接线前,应先确认切换继电器的J一初始状态,如在保持状态要先进行复归;操作前要特别注意”双母线位置并列”信号,引起高度警惕.(2)扩建安装接线时,应先接隔离丌关辅助接点的电缆,再接母线电压电缆.(3)将检查初始状态工作列入标准化作业指导书中,用r规范作业人员的作业习惯,杜绝事故发生.(4)操作时严格按照操作票执行,充分进行危险点分析.(5)使用质量较好的闸辅助开关,确保维护质量.随着电力网络的快速发展,对工作人员素质要求史高.本文从两个方面分析了电压切换回路引起的反送电造成二次电压失电的情况,并提出了相应的对策,希望对继保人员和运行人员在电压切换路上引起足够的重视,杜绝类似的事故发生.参考文献:1高兆丽等.继电保护二次电压切换问题及对策研究J.2叶东.电机学J.3电力系统继电保护实J叶j技术问答M.北京:中国电力出版社,2000.
