有机电致发光器件中载流子与三重态激子的调控研究

摘要

有机电致发光器件（Organic Light Emitting Diode,OLED）因其自发光，无污染，高亮度，广视角，低功耗，超轻薄，响应速度快以及可实现柔性显示的突出优势，目前已成为显示与照明领域的技术热点，正在逐步实现商业化普及。近年来，随着新型材料、器件结构、制备工艺的不断开发，OLED科学研究和技术应用取得了显著的进步。但是目前OLED仍然存在着器件效率、稳定性、良品率和成本等方面的问题，需要继续以基础研究为立脚点，在器件结构设计和优化上开展工作，深入研究器件内部载流子和三重态激子调控对器件性能的影响。具体内容如下：
　　1.简要介绍了有机发光二极管的发展历程和产业现状，并对器件物理中的载流子注入、传输和激子的动力学相关理论进行梳理和综述，最后阐述了本论文的研究意义和内容框架。
　　2.研究基于不同缓冲层单载流子器件的电流-电压特性发现，单层F4TCNQ和LiF分别与阳极ITO和阴极Al可以形成良好的准欧姆接触。利用SCLC法研究厚度对典型传输材料TAPC、NPB、TPBi迁移率的调控作用。实验结果表明，TPBi的电子迁移率几乎与厚度无关，维持在3×10-6cm2/Vs左右，而TAPC和NPB的空穴迁移率随厚度的增加有明显的提高，分别稳定在6×10-3cm2/Vs和4×10-4cm2/Vs附近。对迁移率参数的变化规律进行分析，根据无序模型推导出了TAPC和NPB不同厚度下的能量混乱度σ和位置混乱度Σ的数值，从本质上揭示了迁移率随厚度变化的原因。
　　3.利用SCLC法研究MADN掺杂BuBD-1的迁移率发现，掺杂浓度为3％时，混合体系展现出良好的双极传输特性。固定BPhen为电子传输层，通过空穴传输层的调控获得了最大外量子效率为6.58%的蓝色荧光OLED。固定TAPC做空穴传输层，利用电子传输材料AnTPy来改善载流子平衡，器件最大外量子效率提高到8.15%。基于权衡优化的材料设计理念，CNPI-p3Py同时具备了高的电子迁移率（1.05×10-3cm2/Vs）和三重态能级（2.53eV）。基于CNPI-p3Py的蓝色荧光OLED在101.6mA/cm2的高电流密度下获得了高达9.11%的最大外量子效率。采用瞬态电致发光测试观测到该器件存在微秒级别的延迟发光现象，论证了TTA效应对器件高效率所做的贡献。
　　4.通过测试主体材料mNBICz的迁移率和光谱性质发现，mNBICz具有双极传输特性，并且可以与蓝色磷光客体FIrpic实现有效的能量转移。基于mNBICz的蓝色磷光OLED获得了25.6%的最大外量子效率，53.2cd/A的最大电流效率和50.6lm/W的最大功率效率，几乎是mCP器件效率的2倍。采用阻抗分析仪对mCP和mNBICz构建的单层器件进行系统性的阻抗测试，并分析了不同器件内部的载流子动力学过程及其等效电路参数。
　　5.利用电子型材料pPBIPO制备了单侧同质绿色磷光OLED，获得了超高的器件性能，最大电流效率、功率效率和外量子效率分别高达96.1cd/A，103.8lm/W，26.7%。通过单载流子器件的实验发现，pPBIPO与磷光客体Ir(ppy)3之间由于能级和传输性能的互补搭配形成了独特的载流子双传输通道。接着，采用自主首创的高斯多峰拟合法对激子分布情况进行精确的定量描述。研究发现，客体浓度可以有效地调控该体系的激子复合区域，从而优化同质器件中的载流子平衡，并由浓度梯度器件进行了验证。最后，构建了低滚降的全同质磷光器件，极大地简化了器件制备流程。
　　6.通过引入绿色染料Ir(ppy)3制备的双客体黄色磷光OLED，获得了最高53.6cd/A的电流效率，比单掺杂的传统器件提高了25%。对双掺杂混合体系的迁移率、光致发光光谱及寿命测试发现，无论是域间掺杂还是域内混掺，Ir(ppy)3都能够有效的收集主体材料上的激子，并把能量转移给PO-01发光，实现了“瀑布式”的能量转移过程，进而提高了激子利用率。基于域内三重态激子转移的调控，黄色磷光OLED获得了最高71.5lm/W的功率效率和22.3%的外量子效率，并且在1421cd/m2亮度下的效率滚降比例仅为3.1%。通过优化域间三重态激子转移器件发现，当激子收集层厚度为3nm时，可以同时获得较纯的黄光光谱和高效率低滚降的器件性能。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 OLED的发展历程和产业现状

1.3 OLED器件物理

1.4 有机半导体中的载流子注入

1.5 有机半导体中的载流子传输

1.6 OLEDs中的激子

1.7 OLED的光电性能指标

1.8 研究意义与主要工作

2 界面和厚度对传输层载流子迁移率的影响

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 蓝色荧光OLED中载流子平衡和三重态激子湮灭的调控

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 蓝色磷光OLED中载流子动力学过程的阻抗分析研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 电子型同质器件中激子复合区域的调控研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 黄色磷光OLED中三重态激子转移过程的调控研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表论文情况