電致發(fā)光及其研究進展

電致發(fā)光及其研究進展目錄一、電致發(fā)光的簡介二、電致發(fā)光的發(fā)光機理三、有機電致發(fā)光四、有機電致發(fā)光的優(yōu)點及性能參數(shù)五、有機電致發(fā)光材料的應用六、有機電致發(fā)光的發(fā)展及展望一、電致發(fā)光的簡介

1.發(fā)光

光輻射可以分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類，即熱輻射和發(fā)光。任何物體只要具有一定的溫度，則該物體必定具有與此溫度下處于熱平衡狀態(tài)的熱輻射。非平衡輻射是指在某種外界作用的激發(fā)下，體系偏離原來的平衡態(tài)，如果物體在向平衡態(tài)回復的過程中，其多余的能量以光輻射方式發(fā)射，則稱為發(fā)光。因此發(fā)光是一種疊加在熱輻射背景上的非平衡輻射，其持續(xù)時間要超過光的振動周期。2.電致發(fā)光

電致發(fā)光(electroluminescent)，又可稱電場發(fā)光，簡稱EL，是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，而電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，引起電子能級的躍遷、變化、復合，而發(fā)射出高效率冷光的一種物理現(xiàn)象。它是一種直接將電能轉(zhuǎn)換成光能的現(xiàn)象,電能與光能之間的轉(zhuǎn)換屬于非熱性轉(zhuǎn)換,是一種電場激勵發(fā)光的電光效應。這種發(fā)光不存在像白熾燈那樣先將電能轉(zhuǎn)變成熱能，繼而使物體溫度升高而發(fā)光的現(xiàn)象，故將這種光稱之為冷光。

2.1電致發(fā)光的分類

從發(fā)光材料角度，可將電致發(fā)光分為無機電致發(fā)光和有機電致發(fā)光。無機電致發(fā)光材料一般為半導體材料。有機電致發(fā)光材料依占有機發(fā)光材料的分子量不同可以區(qū)分為小分子和高分子兩大類。目前，電致發(fā)光的研究方向主要為有機材料的應用。

按激發(fā)過程的不同可分為：（1）注入式電致發(fā)光：直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當電子與空穴在晶體內(nèi)再復合時，以光的形式釋放出多余的能量。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管（LED）；

（2）本征型電致發(fā)光：又分為高場電致發(fā)光與低能電致發(fā)光。其中高場電致發(fā)光是熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強電場的作用下在晶體內(nèi)部加速，碰撞發(fā)光中心并使其激發(fā)或離化，電子在回復到基態(tài)時輻射發(fā)光。從發(fā)光原理角度電致發(fā)光可分為為低場和高場下的發(fā)光；電致發(fā)光還可以分為薄膜型電致發(fā)光和分散型電致發(fā)光。二、電致發(fā)光的發(fā)光機理

電致發(fā)光的發(fā)光機理是被加速的過熱電子碰撞、激發(fā)發(fā)光中心，使發(fā)光中心被激發(fā)到高能態(tài)而發(fā)光。

電致發(fā)光包括四個基本過程：

（1）載流子從絕緣層和發(fā)光層界面處的局域態(tài)穿過進

入發(fā)光層；

（2）載流子在發(fā)光層的高電場中加速成為過熱電子；

（3）過熱電子碰撞、激發(fā)發(fā)光中心；

（4）載流子再次被束縛到定域態(tài)。電致發(fā)光的發(fā)光機理

對于交流電導致的電致發(fā)光而言，這四個過程是反復進行的。這些電子隨著外電場的周期性變化，在發(fā)光層和絕緣層形成的兩個界面之間振蕩，同時電子加速和倍增，產(chǎn)生大量的過熱電子碰撞發(fā)光中心，使發(fā)光中心能級上的電子處于高能態(tài)，然后這些高能態(tài)電子通過輻射躍遷發(fā)出光子。三、有機電致發(fā)光（OLED）

有機材料的電致發(fā)光屬于注入式的復合發(fā)光。一般認為，聚合物和小分子電致發(fā)光的機理是：在外界電壓的驅(qū)動下，由電極注入的載流子（電子和空穴）在有機物中復合，釋放出能量，傳遞給有機發(fā)光物質(zhì)的分子，使其從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當受激分子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，由輻射躍遷而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。

1.有機電致發(fā)光的機理發(fā)光過程的Jablonski能級圖如圖1所示：一般認為，有機電致發(fā)光過程分為以下5個步驟：(1)載流子的注入。在外加電場的作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機功能薄膜層注進。電子從陰極注進到有機物的最低未占據(jù)分子軌道（LUMO），而空穴從陽極注進到有機物的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）。(2)

載流子的遷移。注進的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。(3)載流子的復合。電子和空穴碰撞產(chǎn)生激子。(4)激子的遷移。激子在有機固體薄膜中不斷地作自由擴散運動，并以輻射或無輻射的方式失活。

(5)電致發(fā)光。當激子由激發(fā)態(tài)以輻射躍遷的方式回到基態(tài)，就可以觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)射光的顏色是由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級差所決定的。2.有機電致發(fā)光器件

電致發(fā)光器件的基本結(jié)構(gòu)屬于夾層式三明治結(jié)構(gòu)，即有機層被兩層電極夾在中間，其中一側(cè)為透明電極以便發(fā)光?？昭ê碗娮臃謩e從陽極和陰極注入，并在有機層中傳輸，相遇之后形成激子，激子復合發(fā)光。2.1器件的結(jié)構(gòu)

氧化銦-氧化錫（indiumtinoxide,ITO）透明電極和低功函數(shù)的金屬（Mg,Li,Ca等）常被分別用作陽極和陰極。輻射光經(jīng)由ITO一側(cè)射出。

大多數(shù)有機電致發(fā)光材料是單極性的，同時具有均等的空穴和電子傳輸性質(zhì)的有機物很少，一般只具有傳輸空穴的性質(zhì)或傳輸電子的性質(zhì)。所以為了增加空穴和電子的復合幾率，提高器件的效率和壽命，OLED的結(jié)構(gòu)從簡單的單層器件發(fā)展到雙層器件、三次器件甚至多層器件。2.2器件的分類有機電致發(fā)光器件常見的結(jié)構(gòu)形式如下所示:（1）單層器件:ITO/EML（發(fā)光層）/Mg:Ag合金；單層有機薄膜被夾在ITO陽極和金屬陰極之間，形成單層電致發(fā)光器件。其中有機層既作發(fā)光層，又兼做電子傳輸層和空穴傳輸層。由于常采用單極性的有機物作為單層器件的發(fā)光材料，即主要傳輸單種載流子，所以載流子注入很不平衡，且載流子遷移率有很大差距，從而使電子與空穴的復合自然地靠近某一電極，當復合區(qū)越靠近某一電極，就越輕易被該電極所猝滅，而這種猝滅有損于有機物的有效發(fā)光，從而使OLED發(fā)光效率降低。（2）雙層:ITO/HTL（空穴傳輸層）/EML/Mg:Ag合金或ITO/EML/ETL(電子傳輸層)/Mg:Ag合金；空穴傳輸層或電子傳輸層的引入在很大程度上解決了電子和空穴的不平衡注入問題，改善了電流-電壓特性，極大地提高了器件發(fā)光效率。（3）多層:ITO/HTL/EML/ETL/Mg:Ag合金。在實際器件設(shè)計過程中，為了優(yōu)化及平衡器件的各項性能，引入了多種不同的功能層。多層結(jié)構(gòu)的OLED，能充分發(fā)揮各功能層的作用。例如，電子注入層和空穴注入層往往能降低器件的開啟和工作電壓；電子阻擋層

和空穴阻擋層能減小直接流過器件而不形成激子的電流，從而提高器件的效率。這些功能層之所以能起到不同的作用，主要是由其能級結(jié)構(gòu)以及載流子傳輸性質(zhì)所決定的。發(fā)光層和陰極之間的各層，需要有良好的電子傳輸性能；發(fā)光層和陽極之間的各層則需要有良好的空穴傳輸性能。但是，由于大多數(shù)有機物具有絕緣性，只有在很高的電場強度下才能使載流子從一個分子流向另一個分子，所以有機膜的總厚度不能超過幾百納米，否則器件的驅(qū)動電壓太高，失去了OLED的實際應用價值。四、有機電致發(fā)光的優(yōu)點及性能參數(shù)

1.有機電致發(fā)光的優(yōu)點有機電致發(fā)光比起發(fā)展較早的無機電致發(fā)光而言，具有材料選擇范圍寬、可實現(xiàn)由藍光區(qū)到紅光區(qū)的全彩色顯示、驅(qū)動電壓低、發(fā)光亮度和發(fā)光效率高、視野角度寬、響應速度快、制作過程相對簡單、成本低，并可實現(xiàn)柔性顯示等諸多優(yōu)點。在制造上，由于采用有機材料，可以通過有機合成方法獲得，與無機材料相比較，不僅不耗費自然資源，而且還可以通過合成，得到新的更好性能的有機材料，使OLED的性能不斷地向前發(fā)展。

2.有機電致發(fā)光性能參數(shù)

一般來講，有機電致發(fā)光材料及器件的性能可以從發(fā)光性能和電學性能兩方面來評價。發(fā)光性能主要包括發(fā)射光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光效率、發(fā)光色度和壽命；電學性能主要包括電流與電壓的關(guān)系、發(fā)光亮度與電壓的關(guān)系等。這些都是衡量有機電致材料和器件性能的重要參數(shù)，對于發(fā)光的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)應用極為重要。1)發(fā)射光譜

發(fā)射光譜又稱熒光光譜，是發(fā)射的熒光相對強度隨波長的分布，一般用熒光測量儀測得。發(fā)光光譜通常有光致

發(fā)光(PL)光譜和電致發(fā)光(EL)光譜兩種。PL光譜需要光能激發(fā)，并使激發(fā)光的波長和強度保持不變；EL光譜需要電能激發(fā)，可以測量在不同電壓或電流密度下的EL光譜