OLED材料的发光原理.docx
- 文档编号:28454276
- 上传时间:2023-07-13
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:420.13KB
OLED材料的发光原理.docx
《OLED材料的发光原理.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《OLED材料的发光原理.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
OLED材料的发光原理
掌握未来显示技术:
OLED材料的发光原理
2016-11-11OLED新技术
众所周知,OLED显示器不需要背光源,在通电的情况下OLED材料
可以主动发出红绿蓝三色光。
那OLED发光的原理是什么呢?
首先上一张大家已经看腻的图:
OLED器件结构。
OLED器件结构(来源:
XX百科)
从图中可以看出,OLED器件自下而上分为:
玻璃基板(TFT)、阳极、空穴注入/传输层、有机发光层、电子注入
/传输层和金属阴极(顺便吐槽一下XX百科里各层名字的叫法。
。
。
)
发光的部位在器件中间的有机发光层(再具体点就是发光层中的掺杂
有机发光层的发光机理(来源:
网络)
OLED器件是电流驱动型,在通电的情况下,空穴从阳极进入器件,
穿过空穴注入/传输层,电子从阴极进入器件,穿过电子注入/传输层,
两者最终到达有机发光层。
材料),发光机理如下图所示:
接下来要讲解的内容可能会比较生涩,为便于不同层次读者的理解,小编用不同的内容分成基础班和进修班,请各位读者对号入座。
基础班:
空穴和电子在发光层中相遇,然后复合,形象一点讲的话,就像久未
相见的恋人,一见面便紧紧抱在一起;电子空穴复合时会产生能量,
释放出光子,你可以将光子理解为下图中情侣头上的心形;我们能看
见的光是由无数的光子组成,就像情侣头上不断冒出的小心心;光的
颜色由光子的能量决定,如果能量的高低用情侣的亲密程度比喻的话:
特别亲密的发出蓝色(能量高发出蓝光),比较亲密的发出绿色(能
量适中的发出绿光),一般亲密的发出红色(能量低的发出红光)。
进修班:
OLED发光原理之前,我们先学习一个概念:
能级;
原子核外电子的状态是不连续的,因此各状态对应的能量也是
1阶、2阶这样的整数,不会出现诸如
1.5阶、
2.1阶这样的情况,能级的示意图如下;
能级(来源:
XX百科)
在正常状态下,原子处于最低能级,即电子在离核最近的轨道上运动,
这种状态称为基态;
OLED发光材料的能级图(来源:
网络)
原子吸收能量后,电子会从基态跑到较高能级,即电子在较远的轨道
上运动,这种状态称为激发态;
从低能级向高能级跃迁需要吸
收能量,而从高能级跃迁回低能级则会放出能量;
OLED发光材料的能级是什么样
S0表示的是基态能级,S1、S2和T1表示的是激发态能级,有机材
料发光的过程,就是电子从高能级跃迁到低能级释放能量的过程
(S1-->S0或T1-->S0),这个释放出的能量,就是可见光;
所以OLED发光的整个过程如下:
1.电子和空穴在发光层中相遇时,会产生复合效应;
2.复合的过程中产生激子,激子在电场的作用下迁移,将能量转移
给发光层中的掺杂材料;
3.掺杂材料中的电子吸收能量后,从基态跃迁到激发态;
4.因为激发态是不稳定的,电子会从激发态再次跃迁回基态,同时
释放出能量,产生光子。
根据发光材料激发态能级的不同,电子在跃迁回基态的过程中释放出
不同能量的光子,根据公式E=hv,能量决定光的波长,而波长意味
着光的颜色。
有机发光层的发光机理(来源:
网络)
前面讲到了OLED材料发光的大致原理,下面我们来看一下OLED
材料的分类。
在讲解之前,我们必须学习两个概念:
电子自旋量子数和电子激发态多重度。
首先是电子自旋量子数:
如果把原子比作太阳系的话,原子核是太阳,电子就是行星。
与行星类似,电子在围绕原子核运动的时候(并不是公转哦,而是随机的位置闪现,形成云状),本身也在自转(严格讲也不是自转,其产生的效果等同于自转)。
根据史特恩-格拉赫实验测量得出,电子自旋量子数的值为1/2或-1/2
(单位是h/2Pi,h是普朗克常量)
注:
括号里的话看看就行,不要试图深入理解,因为这些属于大杀器
《量子力学》的内容。
电子自旋示意图(来源:
XX百科)
然后是电子激发态多重度:
电子激发态的多重度用M=2s+1表示,s为电子自旋量子数的代数和
(代数和没有负数),即ms1+ms2,数值为0(1/2+负1/2)或1
(1/2+1/2)。
根据泡利不相容原理,分子中同一轨道所占据的两个电子必须具有相
反的自旋方向,即自旋配对。
假如分子中全部轨道里的电子都是自旋配对的(1/2配负1/2),即
s=0,分子的多重度M=1,该分子体系便处于单重态,用符号S表示,
大多数有机物分子的基态处于单重态。
分子便有了两个自旋不配对
s=1(1/2+1/2),分子的多重度M=3,该分子体系处于
T表示。
多重态示意图,上下箭头表示电子自旋方向
(上图摘自网络,下图摘自OFweek)
处于分立轨道上的非成对电子,平行自旋要比成对自
因此三重态能级总是比相应的单重态略低(可从能级图
能级图全貌,不用理解里面全部内容(来源:
网络)
是通过复杂的
好啦,课前知识学习就到这里,下面我们来看一下
OLED材料的分
类。
按发明时间,OLED材料分为三代:
荧光材料、磷光材料和热激活延
OLED
迟材料(TADF),其中荧光材料和磷光材料已经广泛的应用到
量产中,而TADF材料目前还不成熟,但正在向量产的目标努力。
三种材料的原理示意图(来源:
天极网)
磷光材料,TADF材料下一节再讲。
上一节讲到,电子空穴复合产生的激子会将能量转移给有机材料分子
中的电子,这些电子吸收能量后会跃迁到激发态。
而电子的激发态有
单重态和三重态之分,算起来一共四种状态,大家本着平均主义原则,
获得相同数量的电子,即单重态获得25%,三重态获得75%。
荧光材料发光示意图(来源:
网络)
荧光和磷光的区别为:
单重态电子跃迁到基态发出的光是荧光,三重
态电子跃迁到基态发出的光是磷光,如下图所示。
荧光和磷光的发光原理(来源:
网络)
ISC为隙间跨越,即电子从单重态变成三重态,或从三重态变成基态
对荧光材料来讲,处于三重态的电子跃迁时并不发光,而是隙间跨越
到基态或释放热量,所以荧光材料只能依靠25%的单重态电子发光,
这也就是为什么荧光材料的发光效率只有25%(专业讲法为内量子
效率)。
而磷光材料发出的光是三重态上的电子跃迁时发出的,当三重态上的
电子跃迁完之后,单重态上的电子还可以通过ISC到达三重态,并
最终从三重态跃迁回基态,也就是说磷光材料里所有的激发态电子都
可以发光,内量子效率为100%。
目前量产的OLED三原色中,红色和绿色都是磷光材料,只有蓝色
是荧光材料,所以蓝色的效率一直是很大的问题。
因为实在做不出深
蓝色的磷光材料,科学家们只好通过其他方式来提高蓝色的发光效率,
其中最有前景的便是TADF材料。
荧光材料受激发后发出的光会快速衰减直至熄灭,这是因为处于单重
态的电子不需调整自旋方向便可返回基态,这很符合泡利不相容原理,
所以跃迁速度很快。
而磷光材料刚好相反,受激发之后会持续发光一
段时间,效果如同夜明珠。
单重态的电子因为自旋相反,很容易跃迁
对于磷光材料,三重态电子与基态电子自旋相同,有的电子并没有那
么想跃迁,所以速度不快,有延迟发光的特点。
荧光材料的内量子效率最高只有25%,是因为其三重态有跃迁禁戒
(即处于三重态的电子无法和基态的电子形成自旋轨道耦合,向基态
跃迁违反泡利不相容原理),所以电子无法以发光的形式跃迁回基态,
通常以热量的形式释放能量。
但如果在有机分子中加入一个重金属(例如Ir、Pt、Re等,其中Ir
具有较短的三线态寿命,在室温下有较高的发光效率和较强的磷光被
广泛用于磷光材料中),可在有机材料内形成较强的自旋轨道偶合效
应,使电子从三重态跃迁回基态成为可能(普林斯顿大学教授Forrest
在1997年发现)。
磷光材料利用了75%的三重态能量,所以内量子效率理论上可以达
到100%,这有利于降低器件电力能耗、减少热量产生、提高器件稳
定性和延长器件使用寿命。
磷光材料性能虽好,但Ir这种重金属储量
非常有限,价格贵的要死还污染环境。
那如何在不使用重金属的同时又能达到100%的内量子效率呢。
九州
大学教授安达千波矢在2012年发表的《Nature》文章给出了答案:
TADF。
(安达教授曾在普林斯顿大学师从Forrest教授,真是名师
出高徒)
在介绍TADF之前,还有两个技术要说一说,看看就行不用深究。
①TTA(triple-tripleannihilation):
利用电子在三重态的湮灭效应,
提高单重态电子的总量,具体来讲就是两个三重态的电子相互湮灭,
生成一个基态电子和一个单重态电子,然后这个生产的单重态的电子
再跃迁回基态发出荧光,TTA在上世纪60年代就有人研究,理论极
限效率62.5%,后来TTA技术一直没有实用化,如今有了100%转
换效率的TADF技术,TTA就更无人问津了。
②2000年左右有篇《Nature》文章,提到通过改变有机分子结构,
使单重态的捕获界面和三重态的捕获界面比达到57:
43,而不是通
常的25:
75,所以单重态得到电子的概率从25%提到了57%,发出
荧光的效率理论上也达到57%。
上述两个技术的转换效率都在60%左右,可知TADF接近100%的
转换效率是多么吸引人。
TADF材料的发光原理总结成一句话就是:
处于三重态的电子可以高效的通过逆系间跨越回到单重态,并从单重
态跃迁回基态并发出荧光。
TADF自发光材料的原理(来源:
Kyulux官网)
根据洪德定则,三重态的能量会低于单重态的能量,能带差(ΔEST)
通常是500meV以上。
这个差值对电子来讲很大,使得处于三重态
的电子基本不可能去到单重态。
安达教授通过减少分子电子轨道中的最高占据轨道(HOMO)和最低
未占轨道(LUMO)的重叠,制备出三重态和单重态只有100meV以下
ΔEst的荧光材料,而且分子的HOMO和LUMO的重叠越少,ΔEST
越小(上面那张动图材料的ΔEst只有10meV)。
通常有机材料中的ΔEst在500meV以上
TADF材料中的ΔEst在100meV以下
上图中只有10meV
那TADF里的热激活是什么意思呢,这是因为ΔEST即使很小,也
是有一定差距的,电子需要一个外力从三重态跨越到单重态,这个外
力便是热量。
热量本身就是一种能量,温度越高,电子越容易跨越到
单重态。
虽然理论上100%的电子都可以从三重态逆系间跨越到单重
态,但实际情况下并不是,这取决于单位时间内从单重态跃迁到基态
的电子数目和三重态跨越到单重态的电子数目的比例,如果三重态的
电子不快速跨越到单重态,它就会逐渐以发热等不发光的方式回到基
态,产生能量的损失。
除效率以外,还有颜色。
TADF材料的发光颜色可自由设计,以苯二
腈为基础,通过选择对其进行修饰的咔唑基的数量、结合位置以及咔
可以选择发光颜色。
安达教授的实验室已经制备出蓝
需的所有光色。
色、绿色、黄绿色、红色、黄色和橙色等发光色,涵盖显示和照明所
您可能觉得TADF材料这么神奇,但为什么OLED的量产中看不到
这种材料呢?
因为TADF材料还存在致命的缺陷:
1.蓝光材料寿命
虽然黄色、绿色材料的寿命已无太大问题,但最受关注的蓝色材料寿
命却远未达到量产要求,以目前最接近量产的两家TADF材料公司
Kyulux和CYNORA来看,Kyulux的蓝光寿命可以做到200小时
(LT95500cd/m2)和600小时(LT80500cd/m2),CYNORA可
以做到420小时(LT80500cd/m2),不过两家公司的技术路线不同,
Kyulux公司的材料特性(来源:
峰会现场拍摄)
2.光谱宽度
对于显示领域来讲,TADF材料的光谱太宽了,发出的光色不纯。
对
此九州大学安达教授于2014年推出了超荧光技术,通过把荧光材料
和TADF材料结合在一起,来提升荧光材料的发光效率并窄化荧光的
光谱。
在本次中国·北京2016国际显示产业高峰论坛上,Kyulux株
式会社CTO安达敦治先生详细介绍了什么是超荧光材料,和超荧光
材料目前的发展情况,具体的内容我们下节再讲。
TADF材料与荧光材料间光谱宽度对比
(来源:
Kyulux资料)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- OLED 材料 发光 原理