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有机发光器件性能优化及激子扩散问题研究

作　者: 周叶春
导　师: 侯晓远；丁训民
学　校: 复旦大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 有机发光器件对比度电子孔穴界面注入单线态三线态激子扩散
分类号: O482
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文工作主要围绕有机发光器件展开，主要分为两大方面：1)优化薄膜结构，提高器件性能；2)深入研究激子在有机薄膜中的扩散问题。具体包括对以下四个问题的研究：1．高对比度OLED。制备了具有低反射率阴极（Black Cathode TM）的OLED器件，可以实现器件在工作时的高对比度。该阴极由半透明金属层、介质层、金属层构成。文中选用Al掺杂的Alq₃作为介质层，器件对环境光的反射率大大降低，在合适的掺杂比例下（体积比1：5），仅为13％。选用该介质层的优点在于：1)采用热蒸发方式制备，避免使用溅射方法，基本消除制备过程中对发光层分子的破坏；2)虽然低反阴极的引入增加了器件厚度约70％，但整个器件的电学性能几乎保持不变，例如1 mA时驱动电压仅增加了0.26V。从SEM照片可以看到，在掺杂层中，Al形成了一些纳米颗粒，而导电性的提高应归因于Al和氧化铝纳米颗粒。2．空穴传输层厚度研究。本文研究发现，在所研究的掺杂器件中，NPB的最佳厚度约为12 nm，远远小于常用的空穴传输层厚度（约40 nm）。最佳厚度的差别可以归因于电子容易陷在DCM掺杂分子上形成空间电荷区域。文中提出了空间电荷导致能带弯曲影响电荷注入的模型，可以解释实验中观察到的器件效率和发光光谱随NPB层厚度而变化的规律。当NPB厚度超过5 nm后，器件效率随NPB厚度继续增加主要可以归因于NPB对电子的阻挡作用。3．单线态激子扩散研究。讨论了一维扩散方程所用边界条件“有机-真空界面激子流为零”在薄膜厚度与激子扩散长度可比拟时所带来的较大误差。本文采用蒙特卡罗模拟的方法计算了激子在有机薄膜中的扩散过程，模拟结果很好地符合了原位光致方法测量的PL强度-Alq₃厚度关系，并得到在Alq₃中单线态激子扩散长度为26nm（三维），等效于一维情况下的15nm。该结果与模拟中所假设的分子大小无关。另外，进一步模拟了OLED工作时其中的激子浓度分布。4．三线态激子扩散研究。三线态主体材料（Host）通过将激子能量转移给客体分子（Guest），达到较高的发光效率。由于通常主体材料本身不发光，所以荧光材料中常用的原位光致发光方法（in situ Photoluminescence）不能用来测量其三线态激子的扩散长度。与光电流方法（Photo Current Spectra）相比，采用高磷光发光效率的三线态客体材料作为探测层（Sensing Layer）来研究主体材料中三线态激子的扩散行为，涉及的相关物理过程较少，容易建立模型并得出精确的结果。在以前的研究中，研究者通常采用简单的一层模型，忽略了掺杂分子对主体材料中三线态激子扩散产生的影响。在本文中，通过分析掺杂层对激子扩散的影响，建立双层模型，以系统地描述激子在主体材料层和掺杂层中的浓度分布。利用这个模型，可以得到常用的主体材料CBP中的三线态激子扩散长度为61.4 nm、常用的掺杂层Ir（ppy）₃：CBP中的三线态激子扩散长度为6.8 nm。

全文目录

目录  2-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章.引言  9-21
  一、导言  9-11
  二、有机发光的历史  11-12
  三、市场化进程  12-13
  四、电致发光机理  13-15
  五、其他有机光电子器件-有机太阳能电池  15-16
  六、有机薄膜器件的挑战  16-17
  七、本论文中的主要工作  17-19
  八、参考文献  19-21
第二章. OLED中相关物理模型  21-35
  一、激发态(Excited States)  21-24
    1. 激子(exciton)  21-22
    2. 电子能量跃迁  22-23
    3. 单线态激子和二线态激子  23-24
  二、载流子注入和传输  24-26
    1. RS热电子发射模型  24-25
    2. FN隧穿机制  25-26
    3. Baldo模型  26
  三、界面缓冲层  26-33
    1. 偶极层模型  27-28
    2. 化学反应模型  28-29
    3. 隧穿模型  29
    4. SCLC  29-33
  四、参考文献  33-35
第三章.实验  35-47
  一、导言  35-36
  二、实验仪器介绍  36-43
    1. 有机分子束沉积系统(Organic Molecular Beam Deposition System)  36-42
    2. 器件性能的测试  42-43
  三、常用的有机分子  43-46
  四、参考文献  46-47
第四章.高对比度有机发光器件的研究  47-60
  一、有机发光器件的阴极  47
  二、有机发光器件的对比度  47-48
  三、黑电极(Black Cathode~(TM))  48-50
  四、实验结果与讨论  50-58
  五、参考文献  58-60
第五章.掺杂OLED器件中空穴传输层厚度研究  60-71
  一、背景介绍  60-61
  二、实验  61-62
  三、结果与讨论  62-68
    1.I-V特性、器件效率和EL光谱随NPB厚度的关系  62-65
    2. 掺杂对载流子注入、传输的影响  65-68
  四、总结  68-69
  五、参考文献  69-71
第六章.激子在有机薄膜中扩散的研究-原位光致发光  71-85
  一、激子扩散研究的意义  71-72
  二、激子扩散长度研究的方法  72
  三、原位光致发光研究  72-73
  四、一维稳态扩散方程求解的局限性  73-75
  五、蒙特卡罗模拟-模型  75-78
  六、蒙特卡罗模拟-结果  78-81
  七、OLED中激子分布的讨论  81-83
  八、总结  83-84
  九、参考文献  84-85
第七章.三线态激子扩散研究-探测层对有机薄膜中三线态激子扩散的影响  85-98
  一、摘要  85
  二、研究背景  85-88
  三、“双层”模型  88-91
  四、实验结果拟合与讨论  91-92
  五、“双层”模型中所用假设及相关误差分析  92-94
  六、总结  94-96
  七、参考文献  96-98
附录A.解谱所用程序源代码  98-102
附录B.模拟所用程序部分源代码  102-105
附录C.发表SCI论文列表  105-107
致谢  107-108

有机发光器件性能优化及激子扩散问题研究

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