.,有機電致發光器件簡介,郝玉英,太原理工大學物理與光電工程系,2009.9.16,.,.,有機電致發光研究的背景及主要應用,.,1987，C.W.Tangetal.Alq3wasusedasemittingmaterialanddiaminederivativeasholetransportmaterial.,1963，Popeetal.Anthracenewasusedasemittingmaterial,C.W.Tang,有機電致發光的發展歷程,1990J.H.Burroughsetal.PPVwasusedasELmaterial,1998S.R.Forrestetal.PtOEPdopedinAlq3wasusedasELmaterial,StephenR.Forrest,.,Visible-OLED：DisplaysandLightingUV-OLED:OpticalSensoranddetectorIR-OLED:OpticalCommunication,有機電致發光器件(OLED)的主要應用領域,.,用于顯示和照明OLED產品,.,31-inchOLEDTVprototype(Samsung，2005),.,有機微顯示器件,800lines/inch，30line/mm;硅CMOS驅動，4V工作電壓;要求頂發射；工藝難度大，國際上只有兩個公司能做彩色微顯示器件；,尺寸小分辨率高功耗低,可穿戴電腦,頭戴式DVD影院,.,.,液晶上下兩層玻璃主要是用來夾住液晶，下層玻璃長有薄膜晶體管(Thinfilmtransistor,TFT)，而上層玻璃則貼有彩色濾光片(Colorfilter)。這兩片玻璃在接觸液晶的那一面并不是光滑的，而是有鋸齒狀的溝槽。這個溝槽的主要目的是希望長棒狀的液晶分子沿著溝槽排列，如此一來，液晶分子的排列才會整齊。因為如果是光滑的平面，液晶分子的排列便會不整齊，造成光線的散射，形成漏光的現象。但是在實際的制造過程中，并無法將玻璃做成如此的槽狀分布，一般會先在玻璃表面涂布一層PI(polyimide)，再用布磨擦(rubbing)，使PI的表面分子不再雜散分布，依照固定而均一的方向排列。而這一層PI就叫做配向膜(alignmentfilm)，提供液晶分子呈均勻排列的介面條件，讓液晶依照預定的順序排列。,.,.,日本sony發明的世界第一款OLEDTV只有3mm（2008年）,.,.,OLEDvs.LED,OLED:AreaSourceSoftLight,LED:PointSourceBrightLight,.,OLEDefficiency,CFL：70-90lm/WLED:50-130lm/WOLED已獲得大于100lm/W的效率，已與無機LED相抗衡,.,有機電致發光光源,面光源,不刺眼,適于室內照明,車內照明,景觀照明等,.,傳統OLED的結構,.,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,HTL,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,ETL,GlassSubstrate,ITO,EML,Cathode,Lightout,HTL,ETL,雙層結構,三層結構,單層結構,Appl.phys.Lett.1987,51:913;Appl.Phys.Lett.1989,55(15):1489;Jpn.J.Appl.Phys.1988,27(4):L713,Lightout,Lightout,Lightout,雙層結構,.,HIL:空穴注入層HTL:空穴傳輸層EML:發光層ETL:電子傳輸層EIL:電子注入層,OLED的多層結構,.,Anode：透明、導電、高功函數HIL:適合的能級、空穴傳輸、改善界面接觸HTL:高空穴遷移率、高的玻璃化溫度、小空穴注入勢壘，大的電子注入勢壘EML:高發光效率，限制載流子在發光層，高的玻璃化溫度ETL:高電子遷移率，小的電子注入勢壘，大的空穴注入勢壘，高的玻璃化溫度EIL:電子注入Cathode：低功函數,OLED功能層材料要求,.,Appl.phys.Lett.1987,51:913,.,.,非摻雜式OLED的發光機理,.,OLED的發光機理,雙注入式復合發光,.,Electroluminescentmechanism,OLED的發光機理,雙注入式復合發光,載流子注入,載流子傳輸,激子的形成,激子的遷移,發光,exciton:singletandtriplet(1:3),.,HOMO-LUMOenergygapdetermineswavelengthofemittedradiation.,.,主客發光體系統（摻雜器件）的發光機理,.,1、Frster能量轉移（庫侖作用力方式）,由dipole-dipole作用，距離較長(50-100)，此種轉移方式只能使客體轉移成singletstate。,.,電子交換，需要電子云重疊或分子接觸，分子間的距離最多只能是幾個埃。須符合Wigner-Witmer選擇定則(交換前后自旋不變，即只發生單重態對單重態和三重態對三重態的能量轉移),2、Dexter能量轉移,.,.,.,3、主客發光體系統的另一發光機制-載流子捕陷的方式,當客發光體摻雜在能隙較大的主發光體中，且客發光體的HOMO和LUMO或其中之一被包含在主發光體的HOMO/LUMO能級內，電子和空穴不易注入到主發光體，而容易直接注入到客發光體，在客發光體上復合形成Frenkel激子，進而產生客發光體發光。,.,traps,.,OLED結構的優化設計,.,OLED的結構設計-優化器件性能,設計原則：載流子注入平衡、傳輸平衡各功能層能級匹配,單層結構：電子與空穴的注入勢壘接近，發光材料為雙極傳輸材料，電子遷移率與空穴的遷移率接近,ITO,陰極,.,OLED雙層結構,發光材料具有電子傳輸性能，插入空穴傳輸層，電子在界面處被阻擋并積累，而空穴容易注入發光層，電子和空穴在界面處復合,發光材料具有空穴傳輸性能，插入電子傳輸層，空穴在界面處被阻擋并積累，而電子容易注入發光層，電子和空穴在界面處復合,.,OLED三層結構,ITO,陰極,HTL,EML,ETL,電子受到空穴傳輸層的阻擋，空穴受到電子傳輸層的阻擋，使電子與空穴限制在發光層中，提高電子與空穴復合的幾率,.,EML,n-ETL,pinOLED結構,.,-改善電子的注入和傳輸能力-在電子傳輸層中摻雜活潑金屬如Li,Cs-易氧化，擴散采用氧化物如Cs2O,Al2O3,TiO2作為電子注入層采用堿金屬鹵化物如LiF作為電子注入層MnO-電子注入和傳輸材料-在空氣中穩定（絕緣體），避免了活潑摻雜物易氧化的問題,電子的遷移率遠小于空穴的遷移率：1/1000,.,電子傳輸,電子注入,Appl.Phys.Lett.,2008,93：133301,.,電流密度，亮度電子傳輸Alq3:MnO器件Alq3器件電子注入-MnO器件LiF器件,.,.,功率效率電子傳輸Alq3:MnO器件Alq3器件電子注入-MnO器件LiF器件,.,微腔OLED能有效提高色純度和效率,.,.,PrincipleoftandemOLEDwithp-njunctionCGL,p-dopedHTL,n-dopedETL,p-dopedHTL,n-dopedETL,p-dopedHTL,n-dopedETL,.,.,.,2010年報道的串聯式OLED,.,.,由于有機層的折射率（1.7-1.85），玻璃的折射率（1.49左右）比空氣的折射率大的多，所以發光層產生的光有很大一部分以波導形式限制在這兩層中。根據各層膜折射率的不同可以把發光層產生的光分成如圖的四個模式。另外，由于發光層的位置靠近金屬陰極，激子能量也會有一部分以非輻射躍遷的形式傳遞給金屬而損耗掉。,根據射線光學計算出只有約20%的光耦合到器件外部。,.,Highlightout-couplingbysubstratemodification,通過改變原有光的傳播途徑，可以提高OLED器件的光取出效率。,.,激子的有效利用-磷光OLED,.,.,激發態的多重性,在激發三重態中，電子和電子之間的排斥作用小于激發單重態的電子，所以激發三重態的能量小。,.,光致熒光和磷光,Singlet:Triplet=1:3Max（FL）:Max（PL）=1:3,singletlifetime(10-9s10-7s)tripletlifetime(10-3s100s),.,Holeinjection,Electroninjection,Electron-holerecombination,Transporting,Exciton,25S,75T,Radiation,Groundstate,IC,Electrophophorence,EF(Electro-fluorescence)andEP(Electro-phosphorence),Electro-fluorescence,100,Radiation,.,電子/空穴復合形成singletandtriplet激子,ExperimentallydeterminedsingletfractionforAlq3basedOLEDs=223%M.A.Baldo,et.al.,Phys.Rev.B(1999),Dopant,Emission,Expectedsingletfractionbasedonsimplespinstatistics=25%Energytransfersfromhost/matrixexcitonicstatestodopantconservespin.Phosphorescence(tripletemission)isformallyaforbiddenprocess.,!?!,Dopanttrapsexcitonandemits,.,.,.,Heavymetalfacilitatedtripletemission,Strongspin-orbit-couplingmixessingletandtripletMLCTstates,M=Ir,Pt,Os,Re,etc.MLCT=metaltoligandchargetransfer,LC=ligandcentered,S0groundstate,1MLCT,3MLCT,Ligandcenteredtriplet3LC,.,.,400NPD,200Ir(ppy)3inCBP,60BCP,200Alq3,ITO,MgAg,excitonformationregion,Ir(ppy)3,M.A.Baldo,et.al.,Apl.Phys.Lett.,1999,+,OrganometallicIrPhosphor,CBP,BCP,.,ExternalquantumefficiencyofIr(ppy)3inCBP,.,10,-2,10,-1,10,0,10,1,10,2,10,3,0.1,1,10,Externalquantumefficiency(%),Currentdensity(mA/cm2),6%Ir(ppy)3inCBP,ExternalquantumefficiencyofIr(ppy)3inCBP,positionofdopantHOMOleadstocarriertrapping/transportatthedopantcarrierrecombinationatthedopantincreasesOLEDefficiency,6%Ir(ppy)3inCBPNOBCPlayer,-NPD,BCP,Alq3,ITO,MgAg,IrppyLUMO,Irppy,.,有機電致白光器件,.,.,OLEDinnovationsinlight,.,.,Approachestofabricatingahigh-efficientWOLED,.,.,WOLEDwiththreecolormix(multi-QW),.,.,.,HighefficientdeviceschemesforPhosphorescentWOLEDs,ext=(10.80.3)%500cd/,p=(22.10.3)%lm/w,Separateenergytransfer,S.R.Forrest,et.al.,Nature,2006,.,HighefficientdeviceschemesforWOLEDs,Leo,et.al,Nature,2009,Powerefficiencyof90lmW-1at1000cd/m2.(potentialtoberaisedto124lmW-1)AnexcellentCRIof80Abrightnessof1000cdm-2slightlyabove3Vand100