高效热活化延迟荧光器件设计及机理研究

发布时间：2020-07-19 11:37

【摘要】：有机电致发光器件(OLED)被视为新一代平板显示技术,具有轻薄、低成本、可柔性显示等优点,正在逐步走进日常生活。传统OLED使用的发光材料主要有荧光材料和磷光材料两种。由于荧光材料只利用单重态发光,效率较低,而磷光材料由于可以同时利用其单重态和三重态的发光,可实现100%的内量子效率。但磷光材料效率衰减严重,并且多含有贵重金属铂和铱,大大限制了其发展。为了弥补现有荧光和磷光材料的缺点,最近学者们提出了一种基于反向系间窜越(RISC)的热活化延迟荧光(TADF)材料设计机制:当激发态的单三重态能量间距小到室温k T时,三重态可以通过RISC转向单重态激发态而发出延迟荧光。TADF材料的优点是成本低廉,并且其量子效率理论上限为100%。分子间激基复合物和分子内电荷转移材料由于其电子和空穴轨道电子云几乎完全分离,因此其单三重态能量间距非常小,均属于热活化延迟荧光体系。本论文的工作主要研究基于热活化延迟荧光的OLED器件的设计和机理研究,主要包括以下内容:(1)研究了绿光激基复合物OLED。选择m-MTDATA和Bphen混合层作为发光层获得了外量子效率为7.8%的绿光OLED,该结果处于国际领先水平。同时利用器件在磁场下的磁电致发光研究了具体的发光机理;通过低温时间分辨光谱法,证明了该体系的单三重态能量差接近于零。制备了m-MTDATA和TPBi混合的激基复合物器件,通过对瞬态电致发光特性的分析,讨论了电荷平衡、载流子迁移率和给受体混合比例对激基复合物器件的影响机制。实验结果表明非平衡载流子对长寿命的激基复合物发光猝灭很严重。(2)研究了蓝光延迟荧光OLED。选择m CP和Bphen,3PT2T,TPBi混合层作为发光层,获得了外量子效率为2.23%的深蓝光OLED。研究其给受体三重态激子和高温声子对激基复合物的猝灭作用,以及给受体材料的分子结构对激基复合物发光效率的影响。采用该蓝光延迟荧光作为主体,Ir(bt)2(acac)作为橙光掺杂剂的OLED结构,研究了延迟荧光主体向磷光掺杂剂的能量传递,获得了外量子效率为16.7%的橙光器件。对激基复合物做主体,磷光材料作为掺杂剂的体系给出了恰当的描述:激基复合物将能量传递给掺杂剂,掺杂剂对激基复合物有一定的猝灭作用。(3)研究了红光延迟荧光OLED。选择m-MTDATA和Gd,Lu,Y的配合物混合层作为发光层,获得了外量子效率为3%的红光OLED,研究了重金属效应和顺磁效应对热活化延迟荧光的影响。研究表明,重金属效应有助于提高热活化延迟荧光效率,而顺磁效率不利于提高热活化延迟荧光效率。(4)研究了绿光和蓝光激基复合物向红光磷光材料Ir(piq)3的能量转移过程,获得了外量子效率为15%的红光器件。将蓝光激基复合物和磷光橙光Ir(bt)2(acac)材料组合,获得了外量子效率高达22%的白光OLED。该器件结构简单,启亮电压约为2.5 V,功率效率达到52 lm/W,是目前报道的效率最高的白光OLED之一。将蓝光激基复合物和荧光橙光材料Rubrene组合,获得了外量子效率高达7.8%的全荧光白光OLED。研究表明,激基复合物中未能够完全利用的三线态激发态可以在白光器件中将能量传递给磷光掺杂剂而实现整体的100%的内量子效率。(5)研究了分子内电荷转移材料的激基复合物现象,以典型的分子内电荷转移材料DMAC-DPS为研究对象,与4种不同的给体和受体材料组合,获得了不同发光光谱(460 nm-580 nm)的器件。其中绿光外量子效率高达9.0%;研究了经典的咔唑基取代的苯二腈类蓝光分子内电荷转移材料2Cz PN的激基复合物行为。其与给体材料TPD和受体材料PO-T2T组合,可以获得外量子效率分别高达5.9%和12%的绿光激基复合物器件。这两项研究表明,激基复合物行为是分子内电荷转移材料的基本属性,这一结果为设计合成分子内电荷转移材料具有指导意义。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：2015
【分类号】：TN383.1
【图文】：

示意图,器件结构,示意图,电子

根据实际需要，有机层一般由多层不同功能的有机材料组成，如图 1。由于发光层材料的电子和空穴迁移率和态密度不同，需要在发光层两侧子和空穴传输层来调节电子和空穴的传输平衡。为了减小电子和空穴的注，在阴极与电子传输层和阳极与空穴传输层之间要加入电子和空穴注入层

原理图,器件,原理图,器件结构

图 1.2 OLED 器件原理图。HIL 和 EIL 分别为空穴和电子注入层；HTL 和 ETL 分别空穴和电子传输层；HBL 和 EBL 分别为空穴和电子阻挡层；EML 为发光层。为了实现白光 OLED，通常需要采用不同的器件结构将红绿蓝三基色（或橙二基色）发光单元组合形成白光器件。一般的白光器件结构包括：多个单垂直叠层器件结构；像素化三基色器件结构；单一白光发光层（一种发光材能实现白光光谱）器件结构，蓝光将能量传递给红橙光器件的蓝光下转换结种掺杂剂掺杂于同一主体材料中的（多见于聚合物器件，由于旋涂工艺需要正交，多层器件较难实现）多掺杂单发光层结构；三基色掺杂于不同发光层（材料可以不同）的多发光层结构等，如图 1.3所示。前面提及的电子和空穴层、阻挡层和注入层以及这里提到的主体材料和掺杂剂材料可以参阅教材中结[5]，限于篇幅，这里不加详述。

器件结构,白光,单重态,荧光材料

3 几种实用白光 OLED 器件结构。a）垂直叠层器件结构。b）像素化器层器件结构。d）蓝光下转换结构。e）多掺杂单发光层结构。f）多发极注入的电子和空穴在发光层相遇后会形成激子。根据激子的，可以将激子分为单重态激子和三重态激子。根据发光激子来光分为来源于单重态激子的荧光和来源于三重态激子的磷光。荧光材料，而发射磷光的材料为磷光材料。器件中，在自旋统子和空穴形成的单重态和三重态激子的的比例是 1:3。由于三般会低于单重态激子的能量，所以荧光材料组成的器件中只有光。而磷光材料中，单重态激子可以放出热量转化为三重态激，荧光材料器件的内量子效率为 25%，而磷光材料器件的内量图 1.4 所示。但是由于荧光材料器件中，激发态的密度很小，态寿命很短，所以在大的亮度（或电流密度）下，效率衰减很器件中，激发态的密度很大，并且其单重态激发态寿命很长，或电流密度）下，效率衰减很严重，如图 1.5所示。另外由于有贵重金属，因此其成本较高。鉴于荧光材料低效率和磷光材

【共引文献】