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器件的材料和结构对其蓝色电致发光性能的影响

姜薇薇  
【摘要】: 作为实现全彩色电致发光显示必需的三基色之一,蓝色电致发光器件性能的改善和提高具有重要的现实意义。本论文着重从器件结构和材料入手,对蓝色无机电致发光器件和蓝色有机电致发光器件性能提高的途径进行了探索。 首先针对无机电致发光蓝光发射亮度低的问题,研究了器件结构和材料对蓝色无机电致发光器件性能的影响。采用具有电子加速能力的SiO_2代替传统夹层结构中的绝缘层,制备了分层优化结构的ZnSe电致发光器件,观察到了传统夹层结构所没有的ZnSe层电致发光。在器件的电致发光光谱中观察到469nm的ZnSe带间跃迁和544nm的ZnSe层缺陷发光。二者跃迁过程的上能级相同。讨论了器件的发光机理,认为是初电子经过SiO_2层加速,获得较高能量,然后碰撞ZnSe分子,将其价带的电子激发到导带,再跃迁回价带或缺陷能级与空穴复合发光。这种发光方式类似于阴极射线发光,只不过电子在固体中而不是真空中加速,因此属于固态阴极射线发光(SSCL)。这个结果将SSCL从有机材料扩展到无机材料,为实现蓝色无机电致发光提供了新的途径。 在分层优化结构ZnSe薄膜器件的基础上,对器件结构进行改进,即在发光层中插入一层SiO_2,得到了改进分层优化结构器件。其SSCL强度比分层优化结构器件的SSCL强度高约1倍。这是因为:1)插层SiO_2对电子有加速、倍增的作用,也能引起SSCL,而SSCL在薄层中进深很浅,所以两部分发光比单独一层亮度高,提高了过热电子的平均能量;2)SiO_2的导带底位于ZnSe导带底以上0.5eV,在插层SiO_2中加速后的过热电子从SiO_2进入ZnSe中可获得0.5eV的能量;3)插层SiO_2与ZnSe层产生两个界面,因此初电子来源增加,则初电子数目也增加,过热电子的数目也会随之增加。 基于无机蓝色电致发光对基质材料带隙要足够大的要求,试制了不同组分的(znS)_x(MgO)_(1-x)材料,发现在保持蒸镀周期中ZnS薄膜厚度不变的情况下,随着MgO薄膜厚度的增加,材料带隙逐渐展宽,这可有效避免发光中心激发态上电子的离化,减少了无机蓝色电致发光的丢失,为获得高效无机蓝色电致发光提供了可能。 尽管上述器件材料和结构的改进能够在一定程度上提高蓝色无机电致发光器件的亮度,但仍与实用化要求具有很大差距。相比之下,蓝色有机电致发光器件的亮度和效率则更加接近实用水平。为此在接下来的工作中研究了器件结构和材料对蓝色有机电致发光器件性能的影响。在常用三层结构的有机电致发光器件中,将具有空穴阻挡性能的有机材料Alq_3或BCP插入到阳极ITO和空穴传输兼发光层NPB界面处,通过这种结构的改进使得NPB的蓝色发光大大增强。研究了插入层厚度对器件性能的影响,发现只有在适当厚度时才能提高器件性能。由于BCP空穴阻挡性能比Alq_3的要强,因此器件达到最佳性能所需BCP插入层厚度比Alq_3的薄。 除器件结构对蓝色有机电致发光性能的影响之外,合适的蓝光有机材料选择也很重要。研究了两种常用蓝光有机材料TPB和DPVBi对器件发光性能的影响,按相同掺杂浓度将二者分别掺杂到PVK中,对它们的光谱性质进行分析,再根据能量转移量子效率的推导,认为能量从PVK到DPVBi的传递比到TPB的更加有效,从而能够在相同掺杂浓度下得到更高的发光亮度。为了进一步证明PVK与DPVBi之间的有效能量传递,以Rubrene为探针,研究了不同器件结构中DPVBi的蓝色电致发光机理。实验结果表明随着驱动电压增加,掺杂型器件中DPVBi蓝色发射相对于Rubrene发光的增长幅度比DPVBi作为单独发光层器件的小,说明其发光机理以能量传递为主,从而找出了利用DPVBi与掺杂主体PVK之间的有效能量传递获得高效蓝色电致发光的直接证据。此外DPVBi在PVK中的掺杂浓度为15wt%时能量传递效率最高。 鉴于蓝色有机电致发光亮度上的优势,又尝试利用有机无机复合结构来提高蓝色电致发光器件的性能,并对提高的机理进行了讨论,发现利用具有高载流子迁移率的无机材料ZnS作为有机器件中的电子传输层、蓝色有机无机复合电致发光器件的空穴传输层PVK中掺入ZnS纳米粒子、有机无机复合蓝色电致发光器件不同界面处LiF修饰层的插入主要都是通过增加电子注入或减少空穴注入使得载流子浓度趋向平衡,最终提高器件性能。对于Tandem结构的蓝色有机无机复合电致发光器件,则是利用Au作为电荷生成层分别提供电子和空穴,将两个发光单元连接起来,在相同驱动电压下获得了高于单个发光单元的电流效率,而且Au层与相邻有机层形成界面偶极层,导致两个发光单元相对发光强度的差异。 总结以上的研究结果,发现通过选择合适的材料和器件结构,可以明显改善蓝色电致发光器件的性能。但是无机蓝色电致发光的亮度依然较低,而有机蓝色电致发光器件的稳定性较差。相比之下,有机无机复合蓝色电致发光器件能够利用有机、无机材料各自的优点获得更好的蓝光发射性能,它是一种更有发展前景的电致发光器件。当然无论哪种类型的器件,都还有很多方面的因素需要进一步研究,例如界面、器件稳定性和寿命等。


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