增强电子注入提高有机电致发光器件效率的研究

发布时间：2020-09-11 18:39

　　有机电致发光器件,即有机电致发光二极管(Organic Light-Emitting Diodes,OLEDs)作为新型超薄固态显示器,具有驱动电压低、工作温度范围大、可实现柔性显示等优点,被誉为下一代的梦幻显示器。自1987年C.W.Tang首次报道以来,OLEDs在材料开发和器件性能改善方面已经取得了很大进展。但就发光效率而言,仍不及无机发光器件。本论文从遴选发光材料和优化器件结构角度,开展增强电子注入、提高有机电致发光器件效率的相关研究工作,具体内容如下。首先,基于两种具有三苯胺基团和苯并咪唑基团的新型双极性蓝色荧光材料Diphenyl-[4’-(1-phenyl-1H-benzoimidazol-2-yl)biphenyl-4-yl]-amine(TPABBI)和Diphenyl-[4’-(1-phenyl-1H-benzoimidazol-2-yl)-biphenyl-3-yl]-amine(TPAMI)制备蓝光OLEDs,验证TPABBI和TPAMI的空穴传输性质和电子传输性质。其中,结构为ITO/MoO_3(10 nm)/NPB(80 nm)/TCTA(5 nm)/TPABBI(20 nm)/TPBi(40 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)的器件获得了发光波长为464 nm的蓝光发射。在16 V电压下,器件的最大亮度和最大电流效率分别为18970 cd/m~2和5.48 cd/A,色坐标为(0.15,0.14),器件效率稳定、滚降不明显;结构为ITO/NPB(40 nm)/TCTA(5 nm)/TPAMI(x nm)/TPBi(20 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)(x=10,15,20,25)的器件,当x=15 nm时,获得了发光波长为444 nm的蓝光发射。23 V电压下,器件的最大亮度和最大效率分别为3080 cd/m~2和1.31 cd/A,色坐标为(0.17,0.17),且工作电压升高时,色坐标变化很小,器件的色度稳定。TPABBI和TPAMI两种发光材料除具备接近深蓝的发光特性外,都表现出很明显的空穴传输特性和电子传输特性,与有机给受体分子同时含有富电子的给体基团和缺电子的受体基团密不可分,此类双极性材料更容易实现发光分子的双极注入与传输,有利于增强电子注入、提高器件效率,对简化OLEDs制备工艺、丰富蓝光材料种类等方面具有重要意义。其次,采用光电阴极材料硫化镉(Cadmium sulfide,CdS)薄层修饰绿光器件,研究CdS薄层厚度与位置对器件效率的影响。在不同厚度的CdS薄层修饰的结构为ITO/NPBX(50 nm)/Alq_3(50 nm)/CdS(x nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)(x=0,0.3,0.5,0.7,0.9)的绿光器件中,当x=0.5 nm时,器件性能最好,最大亮度为3439 cd/m~2(14 V),最大效率为1.66 cd/A(10 V),与无CdS的器件相比,亮度提高16.14%,效率提高6.41%。在器件结构为ITO/2T-NATA(20 nm)/NPBX(50 nm)/C-545(0.2 nm)/Alq_3(50 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)的各功能层之间插入0.5 nm厚CdS薄层,发现CdS薄层位于Alq_3与复合阴极LiF/Al之间时,增强器件电子注入的作用最明显,最大亮度为6765 cd/m~2(16 V),最大电流效率为2.85 cd/A(11 V)。在结构为ITO/MoO_3(10 nm)/NPB(30 nm)/Alq_3((60-x)nm)/Alq_3:10%CdS(x nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)(x=0,5,10,15,20)的器件中,Alq_3掺杂CdS层的厚度为15 nm时,器件的性能最好,最大亮度为32340 cd/m~2(12 V),最大效率为5.92 cd/A(11.5 V),最大亮度和最大效率是未掺杂CdS器件亮度和效率的13.4倍和1.62倍。通过对器件光谱和光电性能的分析,阐明了光电阴极材料吸收一定波长范围内的光波,生成光生载流子,再次注入到OLEDs中,间接增强器件电子注入,提高器件效率的内在机制。再次,采用CdS薄层修饰双极性蓝色荧光OLEDs和蓝色磷光OLEDs,研究CdS对蓝光器件性能的影响。结构为ITO/MoO_3(10 nm)/TPABBI(35 nm)/Bphen(40 nm)/CdS(x nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)(x=0,0.1,0.3,0.5)的器件,x=0.3 nm时,器件的最大亮度为13590 cd/m~2(9 V),最大电流效率为3.42 cd/A(9 V),效率稳定,滚降很小。结构为ITO/MoO_3(3 nm)/NPB(40 nm)/MCP:8%Firpic(30 nm)/Bphen(40 nm)/CdS(x nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)(x=0,0.1,0.3,0.5)的器件,当x=0.3 nm时,器件性能最好,最大亮度和最大效率分别为29980 cd/m~2(16.5 V)和18.89 cd/A(11.5 V),且器件效率稳定。在20000 cd/m~2亮度下,器件的效率为16.56 cd/A,相比无CdS薄层结构的器件效率(15.15 cd/A),提高了9.3%。CdS薄层作修饰界面为制备无机有机相结合的OLEDs,特别是为提高蓝色OLEDs性能提供了实验参考数据。最后,制备了基于不同主体材料,不同蓝光客体材料的具有CdS薄层修饰结构的双波段白光OLEDs,并改变双波段白光OLEDs的红、蓝发光层位置,探究CdS影响白光OLEDs色度的内在机制。其中结构为ITO/NPB(40 nm)/MCP:8%Firpic(25 nm)/CBP:1%Ir(piq)_2(acac)(5 nm)/Bphen(40 nm)/CdS(0.3 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(100 nm)的白光器件,最大电流效率为12.01 cd/A(7 V启亮电压下),最大亮度为16850 cd/m~2(23 V),色坐标在(0.34,0.37)附近,属于暖白光。在此基础上,制备两组双波段具有CdS薄层修饰界面的白色OLEDs,改变红、蓝发光层位置,红光发射层靠近CdS修饰界面的白光器件,最大亮度和最大效率分别为19590 cd/m~2(19 V)和10.06 cd/A(18 V),效率滚降不明显。蓝光发射层靠近CdS修饰界面的白光器件,最大亮度为22630 cd/m~2(18.5 V),最大电流效率为23.3 cd/A(7 V),效率滚降比较显著。通过对两组器件光谱的分析,发现可以根据白光器件红、蓝组分不同的发射情况,采用CdS薄层对其进行修饰,调控白光器件色度。对本组器件结构,红光发射层靠近CdS修饰界面时,CdS增强了红光发射区的电子注入,提高了红光发射强度,有利于均衡此组器件的红、蓝光发射,更易获得白光器件。因此,CdS修饰OLEDs不仅实现了增强电子注入、平衡载流子、提高器件效率的功能,同时,对白光OLEDs的色度起到了有效调控。开发和使用集多种功能于一身的新型材料制备OLEDs,设计并优化器件结构,实现OLEDs性能的最佳化、价格的平民化,是OLEDs全面解除影响其产业化进程的根本所在。本论文从材料科学与器件制备的角度,详细讨论了在有机电致发光器件中使用双极性材料和光电阴极材料,增强电子注入、平衡器件载流子、提高器件效率的作用,并阐明其内在机理。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN383.1
【部分图文】：

电视,全球,抗震性能,视角

图 1.1 LG 全球首款曲面 OLED 电视Fig. 1.1 LG world's first curved OLED TV实用化的 LCD 相比，OLEDs 具有以下优点：①比 LCD 更轻更薄 2013 年推出的全球首款曲面 OLED 电视，整机最薄处为 4.29 m抗震性能好，不怕摔；③视角大，一般可至 170 度，即使从侧面

增强电子注入提高有机电致发光器件效率的研究

OLEDs照明Fig.1.2OLEDslighting

示意图,三明治结构,示意图,阴极

图 1.3 OLEDs 三明治结构示意图Fig.1.3 Schematic diagram of OLEDs sandwich structure电致发光器件的发光原理和无机发光二极管相似。在 OLEDs 的两加直流电压(Direct Current，DC)时，在 OLEDs 的阴极和阳极之间子(electrons)与阳极的空穴(holes)在电场力的作用下，分别由阴极和

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