有机电致发光器件制备工艺与高效磷光器件性能的研究

摘要

与液晶显示、无机发光二极管或等离子体显示技术相比，有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLED)亦称有机电致发光器件(organic electroluminescence devices,OELD)，具有自发光、响应快、全固态、制备工艺简单、高效率、宽视角、超薄、耐高低温、柔性等优点，可用作信息显示和照明的终端，被誉为最理想和潜力的下一代显示技术。但目前工艺不成熟导致器件制造成本较高，高性能发光材料缺乏导致器件性能待提高，发光和衰减机理认识不充分导致器件结构改善缺乏指导，这大大影响了OLED器件的产业化步伐，针对上述问题，本论文在高分辨率无源矩阵(passive matrix)器件的关键制备技术、开发新的高效磷光材料及器件性能优化、改善有机器件结构方面进行了一系列的探索性和创新性的工作，具体包括： 1．直流磁控溅射系统制备用于OLED的低阻高透的氧化铟锡(ITO)薄膜，考查溅射压强、氩氧比例、退火温度、退火时间、靶基距离、溅射功率、沉积温度、退火氛围八个因素对ITO薄膜性能影响。用正交试验方法安排试验大大提高实验的效率。采用了方阻、透过率、XRD、SEM、AFM、均匀性等参数对ITO薄膜进行了详细的表征。制备ITO薄膜的优化工艺参数：溅射压强为2mTorr、氩氧比例为16:0.5、退火温度为427℃、基板与靶材距离为15、退火时间为lh、溅射功率为300W、退火氛围为真空、沉积温度为127℃。制备出的ITO薄膜方阻达到17Ω/□，在可见光区域的平均透过率为86.13％。 2．光刻制备了用于高分辨率(1.8英寸，128×3×160个像素)无源矩阵驱动OLED的多层基板图案。设计和加工了四层光掩膜图案，包括铬层、ITO层、绝缘层和隔离层图案。铬层图案和ITO层图案通过普通光刻工艺流程(匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶)完成。绝缘层材料使用ZKPI-305聚酰亚胺，显影出图案后需进行亚胺化过程。隔离层图案采用负性光敏聚酰亚胺ZKPI-530和正性AZ5214光刻胶两种方法实现。其中正胶试验采用图形反转工艺实现了断面呈现上宽下窄的倒梯形形状，符合自动隔离金属的要求。提出用双条隔离器来取代常用的单条隔离器，降低隔离器的制备难度，提高制备OLED的良品率。 3．提出用线形蒸发源(线源)替代当前有机材料蒸发的点蒸发源，对相对基板静止线源和相对基板运动线源的蒸发膜厚进行数学计算，线源蒸镀薄膜的材料的利用率大大提高，膜厚度均匀性比点源有所改善。设计了线形蒸发源装置，此装置具有提高镀膜材料的有效利用率、增加蒸发速度和成膜均匀性、可实现多种材料的均匀掺杂等优点。 4．合成了一种新型发出绿光的磷光材料(tpbi)2Ir(acac)并对其进行了表征，将材料用于小分子和高分子OLED器件制备。小分子器件结构为：ITO/CuPc/NPB/CBP:(tpbi)2Ir(acac)/BCP/Alq/LiF:Al，器件约4.4 V启亮，最高亮度为13500cd/m2，功率效率达12lm/W，电流效率最高为22.9cd/A，在5～40V电压范围内稳定性良好，并且器件在低压下I-V特性符合热电子发射模型。制备的聚合物器件结构为：ITO/PEDOT:PSS/PVK/PFO+30wt％PBD:(tpbi)2Ir(acac)/Ba:Al，最高发光亮度为7841cd/m2，电流效率最高为9.95cd/A，器件发出稳定的绿光。 5．合成了一种新型发出黄光的磷光材料(t-bt)2Ir(acac)并对其进行了表征，将(t-bt)2Ir(acac)掺杂在CBP主体材料中，制备了4层有机层结构的磷光器件。器件的电压-电流特性随外加电压的增大，依次经过了欧姆电导区、陷阱电荷限制区和空间电荷限制区，电流机制与理论相符。质量掺杂浓度为5％的器件最高效率为9.3lm/W，8％浓度掺杂的器件亮度最高为14360cd/m2。制备的非掺杂结构器件具有低的效率衰减特性。用NPB作为主体材料制备了超低启亮电压的磷光器件，器件在2.5v启亮，在3.25V时器件亮度达到100cd/m2，4.3V时器件亮度为1000cd/m2，6.8v时亮度为10000cd/m2，掺杂材料的直接载流子捕获和主体材料的单电荷传输性是器件启亮电压降低的原因。 6．采用蓝光荧光材料NPB结合发出黄光的磷光材料(t-bt)2Ir(acac)制备白光OLED器件，结构为：ITO/NPB/CBP:(t-bt)2Ir(acac)/蓝色发光层/BCP/Alq/LiF:Al。所作白光器件最高亮度为7430ed/m2，最高功率效率为9.93lm/W，色坐标为(0.34,0.33)，接近理想白光点。用蓝光材料GDI691代替NPB材料，器件最高亮度达到了15460cd/m2，功率效率最高为8.06lm/W。器件在宽电压范围5～12V(亮度167～8150cd/m2)的发光光谱较稳定，色坐标始终处于CIE1931色坐标图的白光范围内。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2有机电致发光器件的研究进展

1.3 OLED器件存在的问题

1.4本论文的主要工作

第二章直流磁控溅射ITO薄膜

2.1 1TO薄膜的性质、应用和研究意义

2.1.1 ITO薄膜结构和性质

2.1.2 ITO薄膜的应用

2.1.3研究意义

2.2溅射镀膜方法

2.3实验

2.3.1实验设备

2.3.2实验方法

2.3.3 ITO膜的制备工艺流程

2.3.4薄膜测试

2.4正交实验结果与分析

2.4.1溅射压强和氩氧比例对薄膜性能的影响

2.4.2衬底温度和退火温度对薄膜性能的影响

2.4.3其它因素对薄膜性能的影响

2.4.4薄膜的均匀性

2.4.5正交实验最佳工艺参数

2.5本章小结

第三章高分辨率OLED基板图案制备

3.1光学光刻技术概述

3.1.1光刻概念

3.1.2光刻工艺

3.1.3刻蚀工艺

3.2光掩膜设计

3.2.1选用芯片

3.2.2图案设计

3.3四层图案的制备

3.3.1仪器和试剂

3.3.2铬层、ITO层和绝缘层图案制备

3.3.3隔离器层图案

3.4双隔离器技术

3.5本章小节

第四章线形蒸发源的模拟和设计

4.1点蒸发源的蒸发特性

4.2线形蒸发源的模拟

4.2.1基板静止时线源膜厚模拟

4.2.2基板运动时线源膜厚模拟

4.3线形蒸发源的设计

4.4本章小结

第五章绿色磷光器件的制备与表征

5.1引言

5.1.1磷光材料的优势

5.1.2绿光磷光材料及器件的发展

5.2掺杂结构中主客体能量转移

5.2.1无辐射能量转移

5.2.2库仑转移机理——Forster理论

5.2.3交换转移机理——Dexter理论

5.2.4 Forster理论与Dexter理论的对比

5.3磷光材料的合成和表征

5.3.1合成路线

5.3.2材料的表征

5.4器件制备与性能表征

5.4.1器件制备与测试

5.4.2小分子器件

5.4.3聚合物器件

5.4.4 MOLED与PLED的性能比较

5.5本章小节

第六章黄色磷光器件的制备与表征

6.1黄色磷光器件的发展

6.2黄光磷光材料的合成与表征

6.2.1材料合成路线

6.2.2材料的升华

6.2.3材料的表征

6.3器件制备与性能表征

6.3.1器件制备与测试

6.3.2器件结构和有机材料

6.3.3有机器件的电学特性

6.3.4不同发光层厚度的器件特性

6.3.5不同掺杂浓度器件

6.3.6 NPB为主体材料的磷光器件

6.4本章小节

第七章有机白光器件的制备和表征

7.1有机电致白光器件概述

7.1.1有机白光器件的制备方法

7.1.2表征有机白光器件性能的几个重要参数

7.2色度学原理与白色平衡

7.2.1人眼的辨色机理

7.2.2彩色显示技术中的三基色原理

7.2.3三刺激值与色品坐标

7.3白光器件的制备与性能表征

7.3.1黄蓝光混合得到白光的依据

7.3.2器件制备

7.3.3以NPB为蓝色发光层的白光器件

7.3.4以GDl691为蓝色发光层的白光器件

7.4本章小节

第八章　结论

致谢

参考文献

博士在学期间的研究成果