基于超薄有机晶体制备高效率三基色电致发光器件及其机理研究

The research on the organic light-emitting devices (OLEDs) has become one of the most interesting topics because of their potential utilization in flat-panel display systems and lighting technology. However, there are several problems exist which limit the performance of the OLEDs, such as high impurity and low thermal stability of currently used organic small molecules and polymer materials. In this work, organic single crystals will be applied to the OLEDs by the method of template stripping which have attracted much attentions in the optoelectronic devices, because of their advantages such as high ordered molecular packing, high chemical purity, low melting point and high charge-carrier mobility. Based on the dye-doping technique in the doped organic single crystals, partial energy transfer from host donor molecules to guest acceptor molecules has been exploited for the generation of RGB crystal-based OLEDs. By taking advantages of dry etching technique, ultrathin organic single crystal layers are employed to the crystal-based OLEDs which can improve the efficiency of recombination luminescence and decrease the charge transport distance. High power efficient OLEDs can be achieved by precisely control the process of dry etching. Meanwhile, the stacked layer structure is also used to improve the charge injection and charge balance in the devices by adding modified layers. It is expectable that novel and simple methods would be explored to increase the efficiency of ultrathin RGB single crystal-based OLEDs.

随着有机电致发光器件的效率和寿命不断提高，在平板显示和固态照明领域中展现广阔的应用潜力，但常用的有机小分子和聚合物材料杂质含量高和热稳定性差等缺点限制了器件的发展。本课题旨在利用有机晶体材料制备发光二极管器件，因其具有规则分子排布、低杂质含量、低熔点以及高载流子迁移率等优点而受到人们的广泛关注，基于模板剥离法，利用染料分子掺杂技术，对有机晶体材料进行掺杂，实现有效的能量传递，获得红、绿、蓝三色有机晶体材料，并制备三基色有机晶体发光二极管器件。本研究还致力于利用干法刻蚀技术对有机晶体材料进行减薄，控制晶体作为有源层厚度，有效缩短激子扩散距离增强复合发光的效果，进一步提高器件的功率效率。同时基于电子传输层和过渡金属层的pin器件结构，综合优化发光层的组分构成，优化载流子的注入和输运平衡，探索增强超薄晶膜三基色有机晶体发光二极管器件效率的新方法和新途径。

随着技术的进步、工艺水平的提高，有机电致发光器件（OLEDs）在平板显示和固态照明领域展现出越来越广阔的应用潜力。然而，基于无定型材料的器件中载流子迁移率过低一直是困扰和阻碍有机电致发光器件发展的关键因素。为了克服以上困难，研究人员把视线转移到了有机晶体材料上面，由于这类材料具有规则的分子排布、高的载流子迁移率、低的杂质含量和高的荧光量子效率，在光电材料领域受到人们广泛的关注。本项目旨在利用有机晶体材料制备发光二极管器件，从晶体材料、物理特性和器件结构等核心问题展开研究，为扩展有机晶体材料在电致发光器件领域的应用提供了新方法和新途径。重要结果包括：1.以BSB-Me蓝光晶体材料为主体材料，并四苯绿光和并五苯红光染料为客体材料，通过精确控制生长条件和掺杂比例，获得蓝色、绿色、红色、白色等不同发光颜色的晶体材料。分析掺杂晶体材料的荧光光谱、TCSPC光谱等数据，证明主客体分子间有良好的能量传递，为实现高效率器件提供了有利条件。2.利用荧光偏振光谱和第一性原理，理论和实验相结合的方式，系统性揭示了掺杂晶体材料内的掺杂模式，客体分子处于一种“完美”的替位式掺杂结构。3.制备基于pin结构的有机晶体发光二极管器件，通过增加p型过渡金属MoO3作为阳极修饰层，可有效降低载流子注入势垒，提高载流子注入并降低开启电压；增加n型电子传输层TPBi，调节有源层晶体内的载流子平衡。并利用获得的掺杂晶体材料，成功实现高效率的红绿蓝、可变光及白光电致发光的晶体发光二极管器件。4.分析晶体厚度对器件性能的影响，随着晶体厚度逐渐降低，器件性能逐渐提高，证明有效降低有源层厚度可易于载流子复合发光。并利用飞行时间法和场效应晶体管器件，分析掺杂晶体内部载流子输运特性，证明客体掺杂分子对晶体内部载流子有束缚作用，可增大了复合发光效率。以上研究为高性能有机晶体电致发光器件的发展做出了有益探索。