梦幻照明与显示之基石——叠层有机发光二极管

纵观人类照明史,从昏暗的烛火到明亮的白炽灯,从节能型日光灯到高功效白光二极管,千年间人们关注的视角逐渐从发光效率转移到了健康照明;再纵观人类信息显示的发展史,1897年以来的阴极射线管显示以及其后的等离子体显示已经渐行渐远,取而代之并成为市场主流的是LCD显示技术。然而人类对于光明与色彩的追求随着科技的进步不断走向极致,梦幻般的有机发光二极管(OLED)照明与显示器因此而应运而生。苏州大学廖良生教授、冯敏强教授及李艳青教授在叠层OLED的研究方面已有多年经验,最近他们综合了多年的成果,从叠层OLED的工作机理、连接层界面、光学及电学性能等角度,分析了叠层OLED的特点以及有待进一步研究的关键问题。

1987年,C. W. Tang博士发明OLED后,高效率、长寿命的OLED成为大家追求的目标。2003年,廖良生博士和C. W. Tang 博士发明的叠层OLED(L. S. Liao and C. W. Tang, US Pat. Appl. 2003/0170491 A1;US Pat. 6872472 B2),真正使OLED同时具备高效率与长寿命性能成为可能。叠层OLED是指具有多于一个发光单元的、使用了独特的内部连接层将各发光单元串联起来的OLED器件。器件内部连接层的独特之处在于,其双层结构兼具n型和p型半导体性能,从而能够同时促进器件内部载流子的产生与注入。较常规OLED器件而言,叠层OLED器件有以下几点优势:器件的电流效率(CE)随着发光单元数线性上升;器件的功率效率(PE)也有一定的增长;器件寿命显著延长;器件的整体厚度较常规OLED器件增加2倍(约0.5微米)以上,由此可减少灰尘以及电极不平整所导致的电路短路,从而提高产品的良品率。该器件结构更适用于大面积器件的制备。

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叠层OLED的内部连接层可以分为三类:无机/无机连接层、有机/无机连接层以及有机/有机连接层。其中无机/无机连接层通常由于有高温蒸镀的金属层存在而对已蒸镀的有机层造成破坏,同时过薄或过厚的金属层都会影响器件的导电性或透光性。有机/无机连接层通常以n型掺杂层/金属氧化物层的形式实现。然而高于300℃的蒸镀温度同样会对有机层造成破坏,并且金属氧化物较低的透光率会影响器件的出光效率。而有机/有机连接层通常可使用含有碱金属或碱土金属掺杂的n型有机层,和使用含有强氧化性基团掺杂的p型有机层,这样就可以避免上述工艺不兼容的问题,同时还能够保证载流子有效地产生与注入。区别于传统的真空蒸镀方式,Heeger课题组等相继提出溶液法制备叠层OLED器件的工艺。其特点在于必须慎重选择功能层溶剂,要求待旋涂层的溶剂不会溶解已制备好的功能层,同时退火温度也需严格控制以保证有机层不受破坏。

由于连接层性能直接影响了整个叠层器件的性能,因此连接层的界面研究显得尤为重要。紫外光电子能谱(UPS)以及X射线光电子能谱(XPS)能够直观地反映能级信息,所以是研究连接层界面的有效手段。连接层的界面又可细分为:n型掺杂/p型掺杂,无掺杂的n型/p型层,n型掺杂层/无掺杂的n型层等。其中n型掺杂层/无掺杂n型层又是一大研究热点。苏州大学唐建新教授课题组提出在Bphen:Mg/MoO3界面处的“n+/n”结构中,无论是n+层(Bphen:Mg)还是n层(MoO3)均没有产生激子,而事实上是n/p界面处,也即MoO3和NPB界面产生了激子。

叠层OLED发展至今,仍有一些关键问题急需解决:更有效的载流子产生层尤其是p型连接层尚待研究;降低器件的工作电压、提升器件的PE仍是研究者的目标之一;高效率长寿命的蓝光也是研究的重中之重。我们相信,叠层器件技术是今后照明与高亮度显示发展的重要手段。通过人们的深入研究,该技术将得到进一步发展和完善。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201601737)上。