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有机电致发光二极管中载流子的注入与传输是影响器件效率和稳定性的重要因素,因此已成为有机电致发光二极管研究领域的重点,其中电子掺杂是目前改善载流子注入与传输最有效的途径,这方面的研究已经取得了可喜的进步。然而,目前的研究主要侧重在通过改善载流子的注入与传输来提高器件的效率,而对于它们的掺杂机理以及载流子传输影响器件性能的机制研究还比较少。本论文系统研究了掺杂和未掺杂不同有机薄膜的载流子传输特性,并详细分析了载流子传输对器件性能的影响。主要结论如下:
1、研究了过渡金属氧化物MoO3掺杂对界面特性以及掺杂薄膜本体传输特性的影响。研究表明,MoO3掺杂有效的降低了空穴注入势垒,掺杂浓度越高,空穴注入势垒越小,MoO3掺杂也显著提高了掺杂有机薄膜的电导率。机理研究表明,在MoO3掺杂的有机薄膜中,MoO3显示了空穴传输通道的作用,空穴是沿着MoO3传输的,而有机分子只起传输介质的作用,这个机理不但可以很好的解释掺杂薄膜空穴电导率和电流随MoO3的浓度增加而增加,也合理地解释了为什么MoO3掺杂电子型有机分子也能很好地传输空穴的根本因为。由于MoO3掺杂薄膜的良好的空穴注入和传输特性,用MoO3掺杂的有机分子做空穴注入/传输层的有机发光器件,其效率也得到了显著改善,如用NPB:MoO3作空穴注入/传输层的绿光发光器件,最大电流效率和功率效率分别达到了20.3 cd-1A和21.9 lm W-1,是没有掺杂空穴传输层器件的1.6倍。
2、研究了Li2CO3掺杂有机薄膜的电子传输特性,并系统分析了Li2CO3掺杂TmTyPB薄膜对有机发光器件性能的影响。研究发现,Li2CO3掺杂能明显提高电子传输材料的电子传输能力,与非掺杂薄膜相比,掺杂薄膜的本征电子密度提高了4个数量级,电导率提高了3个数量级,电子迁移率提高了2个数量级,表明Li2CO3是非常好的n型掺杂剂。可以看到,用Li2CO3掺杂TmTyPB作为电子注入与传输层,明显降低了器件的工作电压,提高了器件的效率。更为重要的是,Li2CO3掺杂TmTyPB电子传输层的使用大大改善了器件在高亮度下的效率降低问题,使制备的磷光器件在高亮度下表现了高的效率。这样,结合MoO3和Li2CO3掺杂,制备了pin结构有机发光器件,器件性能得到了进一步改善,如制备的绿光磷光器件,最大电流效率达到了74.9 cd A-1,最大功率效率达到了45.5 lm W-1,在35000cdm-2的亮度下功率效率仍可达42.1 lm W-1,这对改善器件稳定性来说是非常有意义的。
3、研究了不同单极和双极有机材料的传输特性。研究发现,空穴传输材料NPB和TCTA中的空穴传输符合TCLC模型,较高的陷阱密度和较深的陷阱深度会导致迁移率的降低。而无定形电子传输材料SnCl2Pc中的电子传输在高电场强度下符合高斯无序模型,在低电场强度下符合三维的变程跳跃模型,很好地解释了SnCl2Pc具有较高的电子迁移率的本质所在。可以看到,把空穴传输单元咔唑和电子传输单元恶二唑放在一个分子内,保证了o-CzOXD具有良好的双极传输特性,更为有意义的是,在o-CzOXD中空穴传输依赖于电场强度,而电子传输与电场无关,o-CzOXD分子这种在空穴和电子传输上的差别为设计结构简单的高效率单层器件提供了基础。
4、用双极传输材料o-CzOXD作为磷光发光材料的主体材料,设计制备出了结构简单的单层绿光、橙光和红光有机发光器件。可以看到,o-CzOXD的双极传输特性以及掺杂磷光染料对空穴的俘获和对电子的辅助传输保证了电子和空穴在发光去的平衡和有效复合,使制备的单层有机发光器件显示了很高的电致发光效率,制备的绿光器件最大电流效率达到了45.57 cd A-1,在1000 cd m-2和10000 cdm-2亮度下效率仍然可以达到45.26 cd A-1和40.42 cd A-1,显示了潜在的应用价值。