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有机荧光分子的溶液加工薄膜及器件

薛善锋  
【摘要】:有机光电功能材料和器件经过近30年的快速发展,在材料的设计合成和电致发光器件的制备工艺方面都取得了很大突破。目前,有机小分子真空蒸镀技术制备出的全色显示屏开始走向市场。但是,这种制备方法仍存在工艺复杂、成本高、材料浪费严重、不易实现大面积等问题,而基于溶液加工的制备工艺(比如旋涂、喷墨打印等等)恰好可以弥补以上真空蒸镀工艺的不足,因此这种制备工艺引起了越来越多研究者的关注。通常溶液加工技术是以有机共轭聚合物作为材料基础,但是聚合物纯度低,结构中存在缺陷等问题严重影响了溶液加工器件的效率。如今,研究者们将结构明确,纯度高的小分子材料运用到溶液加工技术中,设计拓展了一类新的可溶液加工的有机小分子材料体系。但是,到目前为止,采用旋涂的方法制备的溶液加工的有机小分子电致发光器件的性能,还达不到制备全色显示屏的要求,究其原因,主要是器件结构单一、器件的发光效率低、以及旋涂薄膜制备困难的问题,因此,如何在现有溶液加工的有机小分子材料的基础上提高和改善发光器件的综合性能,是器件物理学家亟待解决的问题。本论文主要是围绕溶液加工有机小分子的薄膜制备以及电致发光器件性能进行的系统研究,探索如何制备高质量的旋涂的有机小分子薄膜,构筑多层的全溶液加工有机小分子电致发光器件,实现以溶液加工工艺制备全彩色发光显示屏和白光照明器件的新途径。 在第二章中,我们重点对溶液加工的荧光有机小分子TCBzC单一薄膜的制备及单层电致发光器件性能进行了研究。通过溶剂的选择、发光层薄膜厚度的优化,制备了一系列电致发光器件,并比较了其性能差异。结果表明,单层器件的性能与溶剂的选择无关,只与发光层的薄膜厚度有关。为了进一步获得高质量的薄膜和高的电致发光效率,对TCBzC薄膜进行热处理,单层器件的最大发光效率达到了6.9cd/A,比原始器件的效率(3.1cd/A)提高了一倍多。结合TCBzC材料本身结构特点和单载流子器件发现,不同的热处理温度可以使材料发生不同程度的运动,当热处理温度在40℃时,此时的温度非常接近悬挂的烷基链咔唑的熔点,烷基链咔唑会发生自由运动和重排,使得电子空穴更加平衡,进而提高了溶液加工的荧光有机小分子电致发光器件性能。同时,我们也将热处理的方法扩展到其它体系的有机小分子发光器件中,同样会得到高的发光器件性能。 在第三章中,为了获得高效、稳定的溶液加工的荧光有机小分子白光器件,分别研究了以具有不同载流子传输性的TCSoC和TCPC作为主体材料制备溶液加工的荧光小分子白光器件,发现以双极性TCSoC作为主体时,白光器件表现出更好的发光性能,当电流密度在44.53mA/cm~2时器件最大发光效率和功率效率,分别达到了6.64cd/A和3.52lm/W,同时最大的发光亮度达到了2192cd/m2。并且随着电流密度的增加光色非常稳定,而光色的显示指数CRI为92,是一个很好的白光器件。通过电化学和飞行时间(TOF)法测试的载流子迁移率的数据证明,在空穴迁移率基本差不多的前提下,TCSoC比TCPC具有更强的电子注入和电子传输能力。并且,TCSoC材料表现出了更加平衡的电子空穴传输能力,使得白光电致发光器件具有了高效、稳定的器件性能。实验表明,在溶液加工的荧光有机小分子白光器件中,具有载流子传输更加平衡的双极性主体材料能够提高白光器件的性能与稳定性。 在第四章中,为了得到高效率、稳定的全溶液加工荧光小分子电致发光器件,我们通过多层器件结构的构筑和复合薄膜的制备,获得了高效率、稳定的器件性能。我们首次将醇溶性共轭聚合物PFN引入到溶液加工的荧光有机小分子电致发光器件中,制备了多层器件结构的单色光、白光旋涂电致发光器件。通过对PFN薄膜厚度的优化,得到了发光效率3.25cd/A的蓝光OCFSO单色光多层器件和基于蓝光OCPC、绿光OCBzC及红光OCNzC三原色混合发光层的白光多层器件,最大发光效率达到9.2cd/A,并且PFN层不会影响白光器件的光谱稳定性。结果表明,PFN层引入到器件结构后不管是在单色光还是白光器件结构中,最大发光效率都比原始器件提高一倍多,得到了同类溶液加工的有机荧光小分子电致发光器件的最高值。通过光生伏打测试发现,PFN层引入到溶液加工的有机荧光小分子电致发光器件后,有效的降低了阴极向发光层电子注入势垒,提高了电子的注入能力,使得电子更加有效的从阴极注入到发光层,进一步使电子和空穴更加平衡,从而提高了溶液加工的有机荧光小分子电致发光器件性能。这种全溶液加工方式制备高效率溶液加工的有机荧光小分子发光器件的方法,可以实现器件制备工艺简单,成本低,大面积显示的应用,促使了溶液加工的有机荧光小分子发光器件在全色平板显示器及白光照明中的应用。


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