蓝、白光顶发射有机发光二极管中的微腔效应研究及器件高性能化

摘要

顶发射有机发光二极管（Top-emitting organic light-emitting diode, TEOLED），以其分辨率高、开口率大和衬底选择灵活等优势在有机平板显示领域，尤其是微显示领域受到广泛关注。然而，TEOLED中的光学微腔效应严重抑制了器件的发光强度和色纯度，其对蓝色和白色TEOLED的影响尤其严重，造成了蓝、白光TEOLED制备困难，并严重影响了器件性能。因此，开展TEOLED中微腔效应的研究工作，有效设计与调控微腔对于成功制备高性能蓝、白光TEOLED至关重要。
　　本文首先将电偶极子理论和传输矩阵理论相结合改进了微腔效应的理论模型，并与实验相结合研究了微腔效应对于蓝光TEOLED的影响，设计了优化的器件结构，有效增强了蓝光强度并改善了蓝光的色饱和度；在此基础上，对白光TEOLED进行了一系列的设计和优化，提高了白光中蓝光的比例，改善了顶发射白光的效率和色纯度。
　　研究工作主要包括以下几个方面：
　　（1）采用电偶极子辐射的经典电磁理论分析激子的辐射模式，将偶极矩的取向和辐射电磁波的偏振等因素纳入辐射模式的计算中，使理论模型更加完善。采用传输矩阵理论分析光波在多层膜系中的传输，将多膜层结构的TEOLED等效为单层结构，结合偶极子辐射模式，研究TEOLED中微腔共振效应对激子辐射的影响。运用该理论模型，可以从理论上比较准确地计算TEOLED的微腔共振光谱、发光光谱，并进而计算色坐标、色温、显色指数等器件的色度参数。
　　（2）常规TEOLED中的微腔共振效应抑制了蓝光的出射，使蓝光的效率和色度都比较差。为了改善蓝光TEOLED的性能，本文引入了“金属/Ag”双层阴极结构，增强电子的注入效率和蓝光耦合输出效率。首先计算了金属材料的折射率实部和虚部对双层阴极反射率和反射相位的影响，确定“钐/Ag（Sm/Ag）”双层阴极结构能实现较低的反射。然后计算了不同Sm、Ag厚度对蓝光TEOLED光谱和色坐标的影响，发现减小Ag厚度，增加Sm厚度有利于改善蓝光色纯度。最后，制备了具有不同Sm/Ag双层阴极的蓝光TEOLED，验证了理论计算的结果，同时改善了顶发射蓝光的色纯度。最优化蓝光TEOLED的光谱接近蓝光材料本征光谱，而且器件在0-75°视角范围内光谱几乎没有变化，实现了很好的色纯度和角度稳定性。
　　（3）TEOLED中微腔效应对蓝光的抑制使顶发射白光中蓝光的强度不够，白光色度偏红。本文利用微腔效应中的多光束干涉增强蓝光输出强度，改善顶发射白光色度。首先，理论计算了具有不同空穴传输层（NPB）厚度TEOLED的微腔共振波长，并制备了相应器件验证理论计算结果。理论和实验结果表明，当NPB厚度为100 nm时，微腔的共振波长与蓝光比较匹配，器件中的蓝光输出较强，能与红光混合获得比较平衡的白光。接着，通过在红光和蓝光层之间插入载流子/激子阻挡层，稳定了主体材料CBP中的激子复合区域，使白光在不同电压下的色漂移减弱，改善了白光的稳定性。
　　（4）微腔效应中的干涉过程分为多光束干涉和宽角干涉。本文对白光TEOLED中的宽角干涉因子和多光束干涉因子分别进行了计算和分析，以提高器件的效率和色度。首先计算了TEOLED中电极和激子位置对多光束干涉、宽角干涉强度的影响，发现增强阳极反射并减弱阴极反射可以减弱多光束干涉，而使发光激子靠近阳极可以增强宽角干涉，均能增强器件中的蓝光输出。接着，从实验上制备了高反射阳极和低反射阴极的白光TEOLED，并在此基础上，利用δ掺杂器件和蓝/红、红/蓝结构的白光TEOLED重点研究了宽角干涉对顶发射白光性能的影响，并利用宽角干涉进一步增强蓝光输出。最终得到的白光TEOLED效率高于具有相同有机层结构的底发射器件，同时色度更加接近标准白光。
　　（5）在白光TEOLED中，引入异质结结构的双蓝光发光层，使激子复合区域位于蓝光层内，有效提高了蓝光的发光强度。为了优化白光的色纯度和稳定性，对发光层中激子的行为进行了研究。首先制备单载流子器件研究客体的载流子传输行为，发现蓝光客体充当空穴传输通道和电子陷阱，而红光客体则充当电子传输通道和空穴陷阱，其中红光客体的陷阱效应对低压下的红光强度有贡献；然后利用δ掺杂器件研究激子的分布，确定了激子在主体材料SPPO1中的扩散长度，由此确定了蓝光和红光层的厚度；接着利用阻隔层研究了蓝、红客体之间的能量转移，发现存在较弱的Dexter能量转移，有助于提高白光的稳定性。根据以上研究结果，设计了优化的白光TEOLED结构，获得了高效、稳定的顶发射白光，效率为13.3 cd/A，在10-104 cd/m2亮度范围内，色坐标漂移仅(0.009,0.001)。最后从激子扩散、能量转移和陷阱效应等方面对器件的稳定性机制进行了深入的分析。

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第一章 绪论

1.1有机发光二极管的发展及应用

1.2顶发射有机发光二极管

1.3本文的工作

第二章 微腔效应的理论模型

2.1微腔效应

2.2 OLED的光谱和色度

2.3 OLED光谱计算软件

2.4本章小结

第三章 角稳定的色饱和蓝光TEOLED

3.1器件结构

3.2双层金属阴极的理论设计

3.3器件制备和性能测试

3.4器件性能分析

3.5本章小结

第四章 基于多光束干涉增强蓝光的白光TEOLED

4.1多光束干涉的理论设计

4.2实验制备和性能测试

4.3器件性能分析

4.4本章小结

第五章 基于宽角干涉增强蓝光的白光TEOLED

5.1宽角干涉和多光束干涉

5.2器件制备和性能测试

5.3δ掺杂蓝光TEOLED中的宽角干涉

5.4半透明阴极的优化

5.5白光TEOLED中的宽角干涉

5.6优化的白光TEOLED

5.7本章小结

第六章 稳定、高效的白光TEOLED

6.1发光层结构的初步设计

6.2器件制备和性能测试

6.3发光层中激子的特性分析

6.4白光TEOLED的色稳定性机制分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读博士学位期间撰写的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 攻读博士学位期间主持及参加的科研项目

致谢