高效有机发光场效应晶体管的研究

发布时间：2020-07-22 11:56

【摘要】：有机发光场效应晶体管(organic light-emitting field-effect transistors,OLEFETs)是一类结合了有机场效应晶体管开关功能和有机发光二极管发光功能的新型有机光电子器件,在平板显示、集成光电子以及电泵浦有机激光领域具有重要的应用前景。尽管OLEFET具有功能集成,高电流密度,低激子损耗等优势,但其对材料载流子迁移率、荧光量子效率和能级匹配等要求严格,使得当前器件普遍存在载流子注入和传输不平衡,激子的产生效率低,器件发光强度弱,效率低等问题。本论文从改善载流子传输特性、提升激子利用率、发展新型发光材料三方面出发,通过在器件中引入电荷产生层与电子注入层,改善载流子的传输特性,提升激子的形成几率。同时通过采用热活化延迟荧光材料,提升三重态激子的利用率,使得器件的发光强度和效率得到大幅的提升。本论文主要研究内容以及结论如下:(1)基于MoO_x电荷产生层的高效OLEFET的制备。通过在载流子传输层Pentacene与发光层之间引入MoO_x电荷产生层,利用Pentacene与MoO_x之间的电荷转移提供额外的载流子,提升空穴的迁移率以及浓度。同时引入电子注入层TPBI,降低了漏极电子的注入势垒,改善了发光层中电子和空穴的注入平衡,增大了激子的形成几率,增强了OLEFET器件的发光。器件的空穴迁移率达到0.58 cm~2V~(-1)s~(-1),开关比为10~2,亮度238 cdm~(-2),外量子效率(EQE)为0.16%。在此基础上通过对栅极尺寸的调控,实现了尺寸为25/50/100/200/400μm的像素单元。(2)基于有机异质结电荷产生层的高效OLEFET的制备。利用NPB与HAT-CN构成的异质结作为电荷产生层,意在提升器件载流子传输能力的同时降低空穴传输层与发光层之间的势垒。分别研究了NPB/HAT-CN(pnJ)与HAT-CN/NPB(npJ)两种异质结对器件的光学和电学性能的影响。得益于npJ在源极底部HAT-CN与Pentacene之间的电荷转移,器件的迁移率得到大幅的提升。同时在漏极底部HAT-CN与NPB之间的电荷转移促进了空穴从Pentacene进入到发光层,因此npJ器件获得了较高的EQE。而pnJ OLEFET的器件中HAT-CN与NPB在源极底部的电荷转移使得器件具有更优的载流子传输能力。综合两者的优点,我们制备了基于HAT-CN/NPB/HAT-CN双异质结的OLEFET,其亮度达到8350 cdm~(-2),效率为4.7%,迁移率为0.66 cm~2V~(-1)s~(-1),开关比为10~5。在此基础上,制备了基于Alq_3:DCJTI和Bepp_2:BCz VBi为发光层的高效红光和蓝光OLEFET,实现了OLEFET色彩的多样性。(3)高效激基复合物热活化延迟荧光(TADF)OLEFET的制备。首次采用激基复合物热活化延迟荧光材料作为OLEFET的发光层,提升器件电致激发下三重态激子利用率。制备了以TCTA:B3PYMPM和m-MTDATA:OXD-7两种激基复合物OLEFET,揭示了势垒是影响器件光电性能的重要因素。得益于三重态激子的有效利用,传输层与发光层受体之间小的势垒以及发光层中平衡的载流子传输,以m-MTDATA:OXD-7(1:1摩尔比)为发光层的OLEFET的亮度达到1890cdm~(-2),EQE达到3.76%。在高亮度下(1000 cdm~(-2)),器件的“效率滚降”要优于相应的OLED,展现了激基复合物TADF材料在OLEFET中的潜在应用价值。(4)高效无机钙钛矿发光二极管(PeLED)的制备。基于新型钙钛矿材料的场效应发光晶体管不仅有利于实现高效发光晶体管的大面积柔性制备,还有利于研究钙钛矿材料的传输机理。本论文利用聚合物辅助成膜法制备了具有低缺陷、高荧光量子效率的钙钛矿薄膜,构建了高效钙钛矿发光LED,对其发光机理进行了研究。CsPbBr_3 PeLED的亮度达到36600cdm~(-2),峰值电流效率达到19 cd A~(-1),最大EQE为5.34%。该工作将为后续制备基于新型钙钛矿发光材料的发光场效应晶体管奠定重要基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

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第 1 章绪论第 1 章绪论研究背景及意义于有机材料种类丰富，廉价易得，可大面积制备，与柔性衬底兼容等特电子器件诸如有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED伏器件（organic photovoltaic ，OPV）[2]、有机场效应晶体管（organitransistor，OFET）[3]，长期以来受到科学界和产业界的广泛重视。目速度快、色域广、成本低、柔性加工等优势的有机发光二极管已经达水平[4]，并成功的应用在手机、电脑、电视、医疗器械、增强现实电示终端上。

载流子迁移率,产品,平板显示技术

图 1.2 不同显示产品所需要的载流子迁移率。Figure 1.2 Reqired carrierr mobility for different display products报道的有机发光场效应晶体管（organic light-emitting LEFET）是一种结合了 OLED 的发光特性以及 OFET 的开（如图 1.3 所示）。在理论上为研究载流子的传输特性与一种新的器件结构，具有重要的科学研究意义。同时由于度，低的金属电极吸收损耗等特点，是构筑电泵浦有机激在应用方面，基于 OLEFETs 的平板显示技术相比于基于平板显示技术，具有更简单的工艺制程和更高的集成度，成本、提升良率及面板整体性能，因而被视为下一代平板。但目前由于这类器件中的空穴和电子的注入传输不平衡件性能还无法满足实际应用的要求。因此，提升 OLEF

基本结构

1.2 Reqired carrierr mobility for different display 机发光场效应晶体管（organic light-em是一种结合了 OLED 的发光特性以及 OF1.3 所示）。在理论上为研究载流子的传输器件结构，具有重要的科学研究意义。同金属电极吸收损耗等特点，是构筑电泵浦面，基于 OLEFETs 的平板显示技术相比技术，具有更简单的工艺制程和更高的集升良率及面板整体性能，因而被视为下一由于这类器件中的空穴和电子的注入传输无法满足实际应用的要求。因此，提升实现柔性制备是非常有意义的研究工作

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