白光有机电致发光器件的光学仿真与性能研究

摘要

有机电致发光器件（Organic light-emitting device, OLED）以其全固态、响应快和可柔性等优异特性，成为21世纪最具发展潜力的固体照明和显示设备。与目前其他传统的器件比较，OLED器件还具有电流驱动、主动发光、超薄厚度、工作环境适应度高和器件可优化程度高等的特点。其中，白光OLED器件由于可以作为面光源、显示的特性，成为目前研发的重点与焦点。但是，目前白光OLED器件中还存在着发光性能不足、器件功能单一和发光颜色易漂移的缺点。针对这些问题，本工作采用超薄发光层结构和两发光层中间设置间隔层结构的方式，提升白光OLED器件性能，实现功能多样化，并且还获得高色稳定性白光发射器件。同时从量子理论入手，对白光OLED器件的光学性能，包括外量子效率，光谱分段模拟和变色能力值进行数学算法实现和模拟仿真，进一步帮助分析与解释高性能特性、多功能特性和高色稳定性特性。本论文的具体内容包括：
　　1．通过光学量子理论以及器件性能参数，对白光OLED器件的光学特性进行计算与仿真，并利用数学工具进行算法实现。
　　基于量子理论的光子能量计算公式，引入OLED器件的电压-亮度特征值，电压-光谱特征值，得到器件发光光子数目。基于该数值，引入OLED器件的电学属性特征值，推导出器件外量子效率的计算公式。由于该计算出的外量子效率通过了与物理器件积分球实际测试值的验证，说明了推导原理与算法实现的正确性。同样基于光子数目的理论公式，对任意光谱进行了分段光子数目的模拟，提升了光谱的应用范围。根据数学的绝对误差理论，创新性地提出了对变色 OLED器件的光谱差异性表征的变色能力值概念，采用数学工具进行了算法实现与模拟，为变色OLED器件的设计、构建打下了理论基础。
　　2．研究了新型bis[2-(4-tert-butylphenyl)benzothiazolato-N,C2’]iridium(acetyl-acetonate)[(t-bt)2Ir(acac)]黄光发光材料在OLED器件内的最优存在形式，并基于其超薄层形态，制备并深入研究了高性能的白光OLED器件。
　　通过采用超薄层、等厚掺杂层、等量掺杂层的制备方式，对(t-bt)2Ir(acac)发光材料在OLED器件中的存在形式进行了细致研究，通过性能比较，分析出超薄层结构不仅具有连续层形成能级凹陷利于载流子聚积的特质，还具有掺杂层高效能量传递的特质，使得器件性能表现优异。通过对(t-bt)2Ir(acac)发光材料的0.5nm厚度，1nm厚度和1.5nm厚度的器件性能比较，分析出1nm的(t-bt)2Ir(acac)薄层的厚度，在电学方面可以对器件内部空穴载流子和电子载流子比例实现很好的控制，在光学方面还可以对器件内部三线态激子的自捕获与能量迁移实现很好的调控。通过数学工具的计算，高效白光OLED器件展示出最高40.5 lm/W的能量效率和最高22.01％的外量子效率，为后期高效白光OLED器件的制备提供了结构支持。
　　3．通过改变白光OLED器件内间隔层的种类与厚度，实现了具有变色功能的OLED器件，并进行了多项光学性能的计算与模拟仿真。创新性地提出激子双向迁移模型和变色能力理论，并进行了变色OLED器件的深入理论分析。
　　当设置N,N’-dicarbazolyl-3,5-benzene(mCP)间隔层的厚度为8nm、16nm和24nm时，OLED器件表现出了不同的光学特性。对于未加入mCP间隔层的器件和加入8nm的mCP间隔层的器件，激子的受阻能力不强，导致大部分的激子迁移到黄光发光层中，并且发光颜色几乎不变。而对于16nm的mCP间隔层器件，却表现出了优异的变色特性，从低电压的蓝光，变为适度电压下的白光，到高电压下的黄光，颜色变化明显。这是由于恰当厚度的mCP层，可以很好的控制激子在器件内部的分布。对于24nm的mCP间隔层，已经超过了激子扩散长度距离，并不能对激子的迁移进行调控。基于此，本文提出了激子双向迁移模型理论，当激子双向迁移区域处于蓝光发光层与间隔层界面附近时，电压的变动会导致蓝光与黄光的光子数目之比产生剧烈变动，达到变色效果。为了体现变色器件的变色能力，本文创新性的提出并开发了变色能力值的概念与公式，得到了最高的mCP间隔层器件的变色能力值为41.2%。基于五种不同间隔层的最高占有分子轨道能级和三线态能级，生成的变色能力预估模拟方程对理想的间隔层进行了仿真。最后本工作讨论了器件中激子反跃迁现象与器件性能的模拟关系，为高性能器件的间隔层选取，做了理论铺垫和模型指导。
　　4．通过引入bis[(4,6-difluorophenyl)-pyridinato-N,C2’](picolinate) iridium(III)(FIrpic)蓝光磷光染料，利用mCP间隔层厚度的调控手段，进行对(t-bt)2Ir(acac)黄光染料和iridium(III)bis(4’,6’-difluorophenylpyridinato)tetrakis(1-pyrazolyl)borate(FIr6)蓝光染料组合的白光OLED器件光学颜色修正，得到并系统研究了三发光层体系的白光OLED器件的高稳定性白光光谱特性。
　　首先对基于(t-bt)2Ir(acac)黄光染料和FIr6蓝光染料的白光OLED器件进行深入的光学颜色研究，发现随着电压的增加，激子复合区域，由蓝光发光层向黄光发光层移动。随后，对(t-bt)2Ir(acac)黄光染料和FIrpic蓝光染料的白光OLED器件进行研究，发现随着电压的增加，激子复合区域由黄光发光层向蓝光发光层移动。基于以上工作，设计并制备了三发光层发光体系的白光OLED器件，通过mCP间隔层的厚度调整与优化，对器件的载流子与激子进行控制，实现了白光光谱稳定发射的白光OLED器件。稳定白光光谱归因于FIrpic发光光谱的辅助作用，并且当间隔层mCP的厚度为10 nm时，三发光层器件内部达到了三线态激子平衡、激子复合区域稳定的状态。该器件从6V电压增大到14V电压过程中，CIE色坐标为(0.29 0.01,0.34 0.01)，整体电致发光光谱稳定。
　　综上所述，本工作为高效率性能、电控变色应用和高色稳定性的OLED器件研究打下了理论与应用基础。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 OLED的原理和性能表征

1.3 白光OLED的国内外发展

1.4 研究意义和主要工作

第二章 OLED器件的光学仿真与算法实现

2.1 引言

2.2 OLED发光光子数目仿真与算法实现

2.3 OLED外量子效率仿真与算法实现

2.4 OLED光谱分段及变色能力仿真与算法实现

2.5 本章小节

第三章 基于超薄层的高效白光OLED器件研究

3.1 引言

3.2 实验内容

3.3 超薄层结构白光OLED器件分析与讨论

3.4 本章小节

第四章 基于间隔层的变色OLED器件研究

4.1 引言

4.2 实验内容

4.3 间隔层结构变色OLED器件分析与仿真

4.4 本章小节

第五章 基于超薄层与间隔层的色稳定白光OLED器件研究

5.1引言

5.2 实验内容

5.3 实验结果分析与讨论

5.4 本章小节

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 后续工作及其展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果