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有机晶体电致发光器件制备与特性分析

丁然  
【摘要】:有机半导体晶体材料近年来受到广泛的关注,并常被用作器件的有源层材料而应用于光学和电学功能器件,因其具有柔性、高的发光效率、制备成本低廉并可在低温下制备等优点而成为科学家研究的热点,同时有机半导体晶体材料具有规则的分子排布,低的杂质含量以及高的载流子迁移率而被广泛应用在有机场效应晶体管、有机发光二极管和光泵激光器等等,Pope等人利用有机半导体晶体材料首次应用于电致发光器件,为有机单晶的应用开拓了一片新的天地,然而关于利用有机半导体晶体材料制备发光二极管器件的报道少之甚少,究其原因可能是制备器件过程中采用电极粘附接触法,依靠微弱的范德华力令晶体与底电极之间相吸附以解决器件的接触问题,同时在高电流密度下向晶体材料中注入非平衡的电子和空穴会严重限制器件的工作性能和效率,并无法实现均匀的面发光,因此,我们急需一种简单、无破坏性和具有机械韧性的方法以解决这个长期限制有机半导体晶体材料在器件上应用的难题。 在此论文中,我们介绍了一种简单无破坏性的方法模板剥离法,这种方法可以成功被应用于有机晶体发光二极管器件的制备,并解决器件的接触问题以实现显著的电致发光,模板剥离法曾被报道可以在大面积聚合物衬底上制备光滑的金属膜电极,这种方法可被应用于制备高弯曲度和高效率的有机发光二极管和有机太阳能电池,以模板剥离法为基础,我们期待在塑料衬底上制备晶体和电极接触更好的柔性的晶体发光二极管器件,器件中的阴极和阳极可以通过真空热蒸镀的方法蒸镀到晶体材料的两侧,这样可以实现晶体与电极紧密接触,令更多的载流子注入到有机半导体晶体材料有源层中。 本文的主要研究工作有: 1.利用模板剥离法这种简单而具有非破坏性的方法,成功制备了基于BP2T有机晶体材料的发光二极管器件,通过比较粘附法和模板剥离法制备器件的性能,我们发现模板剥离法制备的器件发光更均匀,这是因为晶体两侧的电极均为真空蒸镀的方法蒸镀到晶体表面,形成紧密的接触,可有效提高载流子从电极向晶体的注入,导致用于复合发光的电子空穴对增多,并且由于BP2T晶体材料自身的自波导效应,导致电致发光产生的光会向器件边缘传导,可观察到明显的边缘发光,同时器件的效率以及制备器件的成功率也较之前有所提高。 2.基于噻吩苯齐聚物晶体材料的发光二极管器件具有偏振电致发光的性质,由于晶体内分子规则排布,分子的单轴取向性更高,并且对于噻吩苯齐聚物晶体材料,其分子与晶面基本垂直,令光在晶体内传播时会平行于晶面传播,同时晶体的特异性会更高,沿晶体a轴和b轴方向的折射率差更大,并在光学微腔的结构中形成了具有各向异性的微腔结构,基于这种结构器件电致发光所产生的光具有两个模式,即TM模式和TE模式,通过改变探测器前偏振片角度,可以令电致发光光谱产生劈裂,将TM和TE模式分开,在器件上可以调整发射光的颜色,实现可变光的发光二极管。 3.基于BSB-Me蓝光晶体材料我们成功制备的蓝光面发射的发光二极管器件,并分析了晶体厚度对器件的光谱的影响,由于器件内光学微腔的存在,当微腔尺寸发生改变时,耦合谐振峰的位置也会发生变化,进而导致器件的电致发射光谱会因为晶体的厚度不同而产生区别。并通过引入掺杂技术,利用并四苯和并五苯材料对原蓝光晶体材料进行掺杂,通过能量转移的方式可有效改变晶体的发光颜色,让原本蓝色的发生光谱变为绿色和红色,同时基于这种红绿蓝三色的晶体材料制备了红绿蓝三色的二极管器件,三种颜色满足为显示提供了必要的三基色,这为晶体二极管器件的拓展提供了基础。 4.通过改变掺杂材料中并五苯的掺杂比例,调节能量转移的效率,令晶体的发光既包含蓝光又包含红光,这样制备的白光晶体并利用这种晶体可实现白光发光二极管器件,并且由于掺杂分子的存在,晶体器件的发光效率有了显著提高,分析其场效应晶体管中空穴的迁移率,可以证明晶体内的掺杂分子对电子和空穴有束缚作用,进而提高了在掺杂分子上的复合发光效率,同时为了证明掺杂分子在晶体内部的分布形式,我们对掺杂晶体体系荧光偏振光谱的进行了分析,通过采集的偏振光谱,我们认为掺杂分子在有机半导体晶体体系内是以替位式掺杂方式存在的。 5.利用激光双光束干涉的简单方法制备聚合物波导周期性光栅结构,形成具有分布反馈式DFB结构,并将晶体材料作为有源层,DFB结构会对晶体内传播的光形成光反馈作用,利用周期性改变的光栅结构对满足布拉格衍射的光产生正反馈,进而形成激射,借助这种制备光栅的方法可有效保护晶体的形貌和特性,因此能够有效降低晶体光泵激光器阈值,同时这种方法也可以应用于在晶体发光二极管器件上,通过增加DFB分布反馈式结构,有望在今后实现晶体的电泵激光器。 综上所述,本论文以模板剥离法为基础,系统的研究了基于晶体的发光二极管器件的光学及电学性质,通过采用不同种类晶体材料,得到了不同发光特性的二极管器件,并基于这些器件为研究晶体的性质和拓展晶体材料在发光器件方面的应用提供了有利的条件,不仅实现了边发射光器件,面发射光器件,同时观测到了偏振电致发光,红绿蓝三色发光以及白光发光器件;另外,通过对掺杂晶体荧光偏振光谱的分析,我们证明了掺杂分子在晶体内的掺杂模式即替位式掺杂,对解释有机分子的掺杂具有一定的意义。


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