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固态阴极射线发光亮度的提高及界面结构的研究

作　者: 张福俊
导　师: 徐叙瑢
学　校: 北京交通大学
专　业: 光学
关键词: 固态阴极射线发光混合激发过热电子有机电子学界面
分类号: O462
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本论文主要研究了提高固态阴极射线发光亮度的几种途径，并针对界面问题利用紫外光电子谱研究了有机／有机材料界面的能级结构，利用原子力显微镜研究了有机分子在不同的衬底上的表面形貌。针对提高固态阴极射线发光亮度的工作是从上游、本身、下游三个方面深入的。上游的工作主要包括两部分：初电子来源和选择电子加速能力强的材料。从瞬态光谱上通过比较四种电致发光器件的正负半周期的亮度的变化，证明了分层优化发光中初电子的来源主要是从电极的隧穿。从瞬态光谱中比较了正负半周期内最大亮度的变化，证明了SiO₂的电子加速能力比ZnS的电子加速能力强。本身的工作主要是从影响发光的内在因素开展的。在固态阴极射线发光中找到了场致发光中分子理论与能带理论适用的条件，它们的分水岭是激子的场离化。激子场离化之前是激子发光，符合分子理论。激子场离化之后出现辐射复合发光，符合能带理论。考虑到有机电致发光中激子的发光寿命在ns量级上，我们选择了具有长寿命的无机材料，研究了不同激发频率下寿命对发光亮度和效率的影响，得到了一个非常重要的结论。吸收是发光的前提条件，吸收变了，发光的其它特性也会跟着改变。然而发光寿命的长短会反过来影响吸收的次数多少，因此发光寿命将影响发光亮度及效率。下游的工作主要从对有机材料实现混合激发来提高发光亮度的思想开始深入的。首先在纯有机电致发光中，证明了实验中用到的三种稀土配合物电致发光的机理是：配体直接俘获载流子，再经分子内能量传递将能量从配体传递给稀土离子，得到了稀土离子的发光。我们将ZnS引入到有机电致发光器件中作电子功能层和空穴阻挡层，利用了ZnS层对电子的一次特性（电子传输）和二次特性（获得过热电子），提高了器件的发光亮度。在这种有机／无机复合的电致发光器件中实现了对稀土材料的混合激发：注入复合及碰撞激发。由于稀土离子特殊的电子分布，5d电子很难直接从外界吸收能量，因此稀土配合物中稀土离子的激发过程只能通过分子内的能量传递来敏化稀土离子。当配体上的电子到稀土离子的能量传递不充分时，配体激发态上的电子就可能通过别的方式去激发，这种去激发过程所引起的发光将影响稀土离子发光的色纯度。在Eu（o-BBA）₃（phen）的电致发光中出现了一个新的发光峰位于494nm的发光，经过各种实验验证，我们认为这个发光就是由于配体激发态上的电子到基质材料基态上的跃迁发光。为了获得色纯度高的红色电致发光，将Eu（o-BBA）₃（phen）与高效红光染料（DCJTB）共掺增强了红色发光，同时抑制了由于配体与稀土离子间能量传递不完全而引起的发光，得到了高亮度红色的电致发光器件，在20V的驱动电压下，发光亮度达到了650cd／m²。界面是有机电致发光研究中一个最基本的关键问题。在有机电致发光中，载流子的注入与输运是影响电致发光器件性能的关键因素。材料界面处的能级结构直接影响了载流子输运的全过程。实验发现C₆₀／PEDOT：PSS的空穴注入势垒是0.3eV，然而对于C₆₀/P3HT／PEDOT：PSS而言空穴注入势垒为1.7eV，这主要是由于在P3HT与PEDOT：PSS界面处存在一个-1.0eV的偶极层。P3HT／PEDOT：PSS的空穴注入势垒是0.2eV，而对于P3HT／pentacene／PEDOT：PSS而言空穴注入势垒为0.55eV，空穴注入势垒的变化主要是因为P3HT在不同衬底上的分子排布及pentacene／PEDOT：PSS界面偶极层引起的。从AFM图上我们也可以看到P3HT分子在这两种衬底上分子排布完全不同。P3HT在PEDOT：PSS衬底上无规则的分布，而在pentacene／PEDOT：PSS衬底上形成了沿pentacene晶粒上有规则的分布。对于pentacene／PEDOT：PSS和pentacene／P3HT／PEDOT：PSS而言，从PEDOT：PSS到pentacene的空穴注入势垒基本上没有变化，说明pentacene和P3HT界面的电荷转移非常弱，它们与PEDOT：PSS界面处的偶极层大小也很接近。Pentacene分子在硅片上的生长方式是分子长轴垂直于硅衬底，并形成了金字塔式的晶粒。这个结果与文献中报道的pentacene分子在金属衬底上生长的方式类似。当pentacene薄膜的厚度大于10nm以后，它的表面形貌基本上没有变化。本论文中共有图69幅，参考文献154篇。

全文目录

中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
序  10-14
第一章引言  14-42
  1.1 无机电致发光(IEL)的历史与进展  14-16
  1.2 有机电致发光的历史与进展  16-18
  1.3 几种电致发光器件的工作机理  18-26
    1.3.1 无机薄膜电致发光的机理  18-20
    1.3.2 分层优化方案的原理  20-23
    1.3.3 有机薄膜电致发光机理  23-25
    1.3.4 固态阴极射线发光的机理  25-26
  1.4 影响无机薄膜电致发光的几个关键因素  26-28
    1.4.1 基质材料的选择  26
    1.4.2 电子加速过程  26-27
    1.4.3 碰撞激发截面  27
    1.4.4 场致猝灭  27-28
    1.4.5 能量驰豫  28
  1.5 影响有机电致发光的几个物理问题  28-33
    1.5.1 载流子的输运过程  28-30
    1.5.2 激子的产生与复合  30-31
    1.5.3 能量传递过程  31-33
  1.6 电致发光器件的性能表征  33-36
    1.6.1 光谱  33-34
    1.6.2 亮度与效率  34-35
    1.6.3 寿命  35
    1.6.4 亮度—电压曲线  35-36
  1.7 界面修饰  36-38
    1.7.1 阳极材料及修饰  36-37
    1.7.2 阴极材料及修饰  37-38
  1.8 本论文的主要研究内容  38-42
第二章分层优化发光中初电子源及电子加速能力的研究  42-56
  2.1 分层优化发光的优势  42-43
  2.2 分层优化发光的瞬态行为  43-49
    2.2.1 实验部分  44-45
    2.2.2 结果与讨论  45-49
  2.3 SiO_2与ZnS电子加速能力的瞬态证明  49-54
    2.3.1 器件的制备及测试  50
    2.3.2 ITO薄膜的制备及表征  50-52
    2.3.3 ITO/ZnS/ZnS∶Er/SiO_2/ITO器件发光光谱的瞬态研究  52-54
  2.4 本章小结  54-56
第三章固态阴极射线发光的激子场行为及寿命对发光的影响  56-70
  3.1 激子发光与辐射复合发光的关系  57-60
    3.1.1 器件的制备  57
    3.1.2 固态阴极射线激发下激子的行为  57-60
  3.2 分子理论与能带模型的分水岭  60-62
  3.3 发光寿命对发光亮度及效率的影响  62-69
    3.3.1 器件的制备与测试  63-64
    3.3.2 结果与分析  64-67
    3.3.3 理论依据  67-69
  3.4 本章小结  69-70
第四章固态阴极射线激发下稀土配合物发光的研究  70-92
  4.1 有机稀土配合物电致发光的研究  72-76
    4.1.1 器件的制备  72
    4.1.2 Tb(m-NBAP)_3Phen电致发光机理的研究  72-76
  4.2 有机无机复合结构中稀土配合物的混合激发  76-85
    4.2.1 器件的制备及测试  76-78
    4.2.2 有机无机复合器件中发光特性的研究  78-85
  4.3 染料与稀土配合物共掺的电致发光  85-91
    4.3.1 器件的制备  86-87
    4.3.2 结果与讨论  87-91
  4.4 本章小结  91-92
第五章界面处能级结构及表面形貌的研究  92-112
  5.1 引言  92-95
  5.2 电子能谱的基本原理  95-97
  5.3 几种有机半导体材料界面的能级结构及形貌学研究  97-107
    5.3.1 C_(60)在PEDOT∶PSS/ITO上能级结构及表明形貌  98-100
    5.3.2 C_(60)在P3HT/PEDOT∶PSS上能级结构及表明形貌  100-102
    5.3.3 pentacene在P3HT/PEDOT:PSS上能级结构及表面形貌  102-104
    5.3.4 P3HT在pentacene/PEDOT∶PSS上能级结构及表面形貌  104-107
  5.4 并五苯在硅片上表面形貌  107-111
  5.5 本章小结  111-112
第六章结论  112-114
参考文献  114-124
附录A  124-125
作者简历  125-131
学位论文数据集  131

固态阴极射线发光亮度的提高及界面结构的研究

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