有機(jī)電致發(fā)光器件研究

徐海楠 張春玉 胡良斌

摘 ?要：有機(jī)發(fā)光顯示器是一種高亮度、寬視角、全固化的主動發(fā)光型平板顯示器件。隨著科技的發(fā)展，將是未來信息時代真正理想的顯示器。本文簡述了有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理及研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：有機(jī)電致發(fā)光器件;平板顯示器

在21世紀(jì)的今天，隨著信息時代的來臨，各種電子產(chǎn)品層出不窮，作為人機(jī)界面的新型顯示器件的研制，越來越引起人們的重視，特別是各類平板顯示器以其體積小、重量輕、能耗低等特點(diǎn)，引發(fā)了一股強(qiáng)勁的研制熱潮。有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）又稱有機(jī)發(fā)光二極管，是近年來發(fā)展非常迅速的一種新型平板顯示技術(shù)。

1 有機(jī)電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)

大部分的OLED的組成結(jié)構(gòu)是金屬陰極、有機(jī)發(fā)光層、銦錫氧化物ITO和玻璃襯底，ITO做陽極。在加入其它功能薄膜材料后，又可分為單、雙、三和多層結(jié)構(gòu)，而單、雙層結(jié)構(gòu)比較簡單，單層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)二者的區(qū)別之處在于正負(fù)極之間夾雜的有機(jī)發(fā)光材料并且還相當(dāng)于電子傳輸層或空穴傳輸層。圖1.1為單層結(jié)構(gòu)圖，圖1.2為雙層結(jié)構(gòu)圖。

圖1.3和圖1.4分別為三層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)的示意圖，由于加入了電子和空穴傳輸?shù)墓δ軐?，所以器件的發(fā)光效率獲得了顯著增強(qiáng)，也使得大部分OLED顯示屏都會選擇使用三層結(jié)構(gòu)。多層結(jié)構(gòu)盡管會使得性能更加優(yōu)良，但也會使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得愈加復(fù)雜，所以三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用比多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用市場更大。

OLED除了按照結(jié)構(gòu)的方法分類外還可以根據(jù)有機(jī)發(fā)光材料的不同分類，可以分為小分子OLED和高分子PLED，除此之外還可以根據(jù)驅(qū)動電壓不同分類，分為無源矩陣和有源矩陣。

2 有機(jī)電致發(fā)光器件工作原理

有機(jī)電致發(fā)光器件是基于有機(jī)材料的一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的電注入型半導(dǎo)體。大多是用一層幾十納米厚的有機(jī)發(fā)光材料在ITO玻璃上制作發(fā)光層，金屬電極在發(fā)光層上方。當(dāng)陰極和陽極上加有電壓時，發(fā)光層就產(chǎn)生了光輻射。為了增強(qiáng)空穴和電子的傳輸和注入能力，人們通常又在發(fā)光層與金屬電極之間增加一層電子傳輸層，在發(fā)光層和ITO間增加一層有機(jī)空穴傳輸材料，提高了發(fā)光效率。

發(fā)光過程通常按照先后順序，由下面幾個階段完成。（1）空穴和電子的注入：在陽極和陰極加有電壓時，載流子從兩級注入到陰極和陽極之間的有機(jī)功能薄膜層。（2）空穴和電子的遷移：注入的空穴和電子分別從空穴傳輸層和電子傳輸層向發(fā)光層遷移。（3）空穴和電子復(fù)合：空穴和電子結(jié)合產(chǎn)生激子。（4）激子的遷移：在電場作用下，激子發(fā)生遷移，遷移激子將能量傳給發(fā)光分子。（5）激子復(fù)合發(fā)光：由于激發(fā)態(tài)能量輻射失活，產(chǎn)生了光子，光子再釋放出能量。

實(shí)際上，釋放激發(fā)態(tài)能量可以通過以下的幾種方式：（1）輻射躍遷的單重態(tài)熒光發(fā)光和三重態(tài)的磷光發(fā)光方式。（2）熱效應(yīng)、振動馳豫等，導(dǎo)致體系能量衰減;（3）非輻射的躍遷導(dǎo)致了能量衰減，就像系間，內(nèi)部的轉(zhuǎn)換等形式。此為小分子材料發(fā)光過程。

還有就是聚合物發(fā)光過程，可以認(rèn)為是在電場的作用下，空穴和電子分別從陰極和陽極注入到共軛高分子的最高占有軌道和最低空軌道，于是就產(chǎn)生了正、負(fù)極化子，聚合物鏈段上極化子轉(zhuǎn)移，單重態(tài)激子產(chǎn)生，產(chǎn)生的單重態(tài)激子通過輻射、躍遷，就發(fā)出了光。

3有機(jī)電致發(fā)光器件研究進(jìn)展

經(jīng)過多年的發(fā)展，有機(jī)電致發(fā)光器件性能及理論研究都取得了長足的進(jìn)步。各種單色光發(fā)光器件技術(shù)日趨成熟，器件性能不斷得到提高。文獻(xiàn)報道三線態(tài)綠光發(fā)光器件效率已超過60Im/W，有機(jī)綠色磷光二極管的發(fā)光效率已達(dá)到110 Im/W。紅光和藍(lán)光器件超過10%的外量子效率。與此同時，對有機(jī)電致發(fā)光全色顯示的要求與日俱增。已提出多種全色顯示的實(shí)現(xiàn)方案，其中用OLED白光器件作背光源加上彩色濾光片技術(shù)實(shí)現(xiàn)全色顯示的方案已有數(shù)家公司推出了超過l0英寸的樣屏。OLED 也可以構(gòu)建在柔性襯底上，實(shí)現(xiàn)軟屏顯示。此外，在固體照明領(lǐng)域的應(yīng)用也是待開發(fā)的領(lǐng)域。因此，高效白光器件的研究也已成為有機(jī)光領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向之一。在2009年，白光電致發(fā)光器件的功率效率得到了突破，達(dá)到了124 lm/W，KarlLeo課題組的工作使有機(jī)電致發(fā)光器件在白光照明的應(yīng)用更加有吸引力。2012年，OLED的發(fā)光機(jī)理再次得到了拓展，日本九州大學(xué)Adachi教授利用某些材料單線態(tài)-三線態(tài)能級差較小的特點(diǎn)，使得三線態(tài)激子實(shí)現(xiàn)反系間穿越轉(zhuǎn)變成單線態(tài)激子發(fā)光，這樣就彌補(bǔ)了之前熒光材料無法利用的75%的三線態(tài)激子，內(nèi)量子效率同樣可以達(dá)到100%，該類材料稱為熱激活延遲熒光材料。

2015年，OLED大型研發(fā)廠家三星推出了首款OLED彎曲屏手機(jī)，自此宣告了OLED創(chuàng)新時代的來臨。同樣，次年新產(chǎn)品三星Note7智能手機(jī)無論在設(shè)計上，功能上都別出心裁，讓人耳目一新，同時從消費(fèi)數(shù)據(jù)來看，手機(jī)的創(chuàng)新帶來的則是大眾的喜愛。三星Note7可謂是當(dāng)年爆款。

通過新發(fā)光材料以及新技術(shù)的研究和使用，器件結(jié)構(gòu)和工藝的不斷完善，OLED的發(fā)展已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步。目前，國內(nèi)面板產(chǎn)商也在盡力擴(kuò)張OLED產(chǎn)業(yè)鏈布局，政策的優(yōu)勢使得行業(yè)優(yōu)秀產(chǎn)品日益倍增，我國在OLED領(lǐng)域的競爭力可大幅提升，足以加入國際競爭行列。

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注：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（編號201810191110）