有机发光器件性能优化及激子扩散问题研究

【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Alq_3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-Alq_3厚度关系，并得到在Alq_3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。