金纳米粒子的光电性质及应用于有机电致发光二极管的研究

发布时间：2018-11-03 19:41

【摘要】：有机电致发光二极管(OLEDs)具有主动发光、超薄、高亮度、视角宽、高效率、响应快、驱动电压低等优点有望成为新一代的显示技术,逐渐成为有机光电领域的研究热点。在过去的十几年间许多技术已经被用来提升OLEDs性能,如:开发高性能的材料、优化工艺过程、简化器件结构等。最近,金属纳米粒子具有量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等特殊的物理效应,表现出独特的光学、电学和其它方面的性质,利用金属纳米粒子来提升有机电致发光二极管器件性能作为一种简便、有效的方法引起了越来越多的科学家们的关注。本论文以充分发挥金纳米粒子的光学和电学效应,大幅度地提升OLEDs器件的效率为目标,发展并提出创新性的概念与原理,同时取得了若干有价值的成果!在金纳米粒子(Au NPs)的光学方面,我们利用Au NPs/PEDOT:PSS复合阳极界面提升提升红、绿、蓝三基色以及白光电致发光器件的效率,同时首次提出增强来源于Au NPs的远场效应(“far-field”effect),突破了单一纳米粒子在光色增强上的限制;利用Au NPs/Zn O复合阴极界面大幅度提升电致发光器件的效率,证明增强来源于金纳米粒子的局域表面等离子共振效应(近场效应,“near-field”effect),同时首次提出局域表面等离子电磁场与载流子复合区最大空间重叠原则。在Au NPs电学方面,我们利用Au NPs/PFN复合阴极界面提升电致发光器件的效率,证明增强来源于阴极界面导电性的提升,以及对发光层的空穴捕获的增加,平衡器件中电子-空穴复合。具体讨论如下:1.系统地研究了Au NPs/PEDOT:PSS复合阳极界面提升提升红、绿、蓝三基色以及白光正置有机电致发光器件(Conventional polymer light-emitting diodes,c PLEDs)的性能。在实验中我们利用Au NPs/PEDOT:PSS复合阳极修饰c PLEDs器件,对于不同的发光层,以MEH-PPV,P-PPV,PFO为发光层的红、绿、蓝发光器件的最高亮度及流明效率提升30%-40%;白光为发光层的器件的最高亮度、流明效率和功率效率的提升50%-60%。通过距离依赖性的实验我们发现,这种增强效应来源于Au NPs的远场效应(“far-field”effect),而不是局域表面等离子共振效应(local surface plasma resonance,LSPR)。不同于纳米粒子的LSPR效应,远场效应是光经过金属反射的相干光波与初始光波的叠加作用。通过理论计算得到这种远程相互作用对于距离是一个阻尼震荡函数,主要增强范围在60nm-120 nm,与c PLEDs器件的尺寸有更好的契合度,并且对于不同光色的增强效果可以通过纳米粒子与发光团之间的距离进行优化,与纳米粒子表面等离子共振频率无关。通过理论计算初始(无纳米粒子时)荧光量子效率与荧光增强比例的关系,我们发现无论初始发光效率的高低,远场效应的增强效果都是按比例提升,即可对效率最好的材料进行进一步的增强,这也是利用金属纳米粒子的远场效应增强器件性能的重要优势。这是国际上首次提出利用Au NPs的远场效应增强全光色有机电致发光器件的性能,突破了单一纳米粒子在光色增强上的限制,对于拓宽金属纳米粒子增强有机电致发光器件性能有重大的意义。2.系统地研究了Au NPs/Zn O复合阴极界面提升倒置有机电致发光二极管器件(Inverted polymer light-emitting diodes,i PLEDs)的性能。相比于c PLEDs,i PLEDs器件明显的提升了器件的稳定性和整流比,但是由于阴极的电子注入势垒太大导致i PLEDs的效率往往不高,因此如何有效地提高i PLEDs效率为目前的一个关键性研究热点。一方面,我们利用单分散Au NPs/Zn O复合阴极界面修饰i PLEDs器件,结果显示基于P-PPV为发光层的i PLEDs器件的最高亮度由5900cd·cm-2提升到15000 cd·cm-2,流明效率由4.4 cd·A-1提升至10.5 cd·A-1,最高功率效率由1.1 lm·W-1提升至2.6 lm·W-1,分别有了150%,140%和140%的提升,这一提升的效果是当时国际上报道的基于Au NPs的最好水平之一。通过实验及理论模拟表明,大幅度的增强来源于Au NPs的LSPR电磁场有效的覆盖i PLEDs激子的剖面,电磁场加快激发态激子的辐射跃迁衰减速率,使原本被电极猝灭的激子转化为发射的激子。基于此,我们提出器件结构设计时LSPR电磁场与载流子复合区最大空间重叠原则,LSPR电磁场加快发光剖面的激发态激子的辐射跃迁衰减速率,大大提升激子的利用率,依据其作为理论指导可以大幅度的提升有机电致发光二极管器件的效率。另一方面,我们利用偶联Au NPs/Zn O复合阴极界面修饰i PLEDs器件,化学偶联Au NPs的“热点”效应增强了LSPR电磁场的强度和扩宽了LSPR的增强范围,实现了掺杂型红光器件(P-PPV:MEH-PPV)的能量转移和荧光发射大幅度提升,相比于单分散的金纳米粒子修饰器件的亮度和流明效率分别提升了230%和130%,获得了高性能的增强。3.系统地研究了Au NPs/PFN复合阴极界面提升有机电致发光二极管器件的性能。通过在PFN溶液中掺杂Au NPs,使PFN包覆在Au NPs表面,最终以P-PPV为发光层的i PLEDs器件的最高亮度从17000 cd·m-2提升至33000 cd·m-2,流明效率从9.4 cd·A-1提升至18.9 cd·A-1,最高亮度和流明效率分别提升了94%和100%。c PLEDs器件的最高亮度从27000 cd·m-2提升至39000 cd·m-2,流明效率从14.1cd·A-1提升至20.2 cd·A-1,最高亮度和流明效率分别提升了44%和43%。为目前基于P-PPV材料报道的最高器件性能之一。实验表明器件性能的增强来源于Au NPs/PFN复合阴极界面导电性能的提升提高了电子载流子的注入,同时Au NPs/PFN共同捕获发光层中的空穴载流子,获得了更加平衡的电子-空穴复合。Au NPs掺杂PFN改善器件的电学行为是十分有效的方法,可以制备高效的有机电致发光二极管器件。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN383.1;O614.123

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本文编号：2308803