中南民族大学届毕业论文设计模板.docx
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中南民族大学届毕业论文设计模板
毕业论文（设计）y
字型：
仿宋居中
项目栏横线填写栏
字号：
二号字号：
20
字型：
楷体分散对齐字型：
楷体填写居中
专业：
生物医学工程年级:
2005
题目:
有机LED器件的发光效率
及其影响因素研究
学生姓名：
黄海学号:
03073052
指导教师姓名:
钟志有职称:
副教授
2012年5月26日
中南民族大学本科毕业论文（设计）原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研
究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
年月日
注：
本页放在学位论文封面后，目录前面
目录目录标题为黑体，小三,
居中对齐
摘要
Abstract
1引言
2有机LED概述
2.1有机LED的发展历史
2.2有机LED的应用领域
2.3有机LED的优特点
2.4有机LED的性能参数
3有机LED器件结构和发光机理.…
3.1有机LED的器件结构
3.2有机LED的发光机理
3.2.1载流子注入
3.2.2载流子迁移
3.2.3载流子复合形成激子
3.2.4发光分子受激发光..
4有机LED的发光效率研究
4.1理想条件下的发光效率研究10
4.2实际条件下的发光效率研究13
5提高有机LED发光效率的方法16
5.1传输层及发光层的匹配提高有机LED器件效率16
5.2电极和界面性能优化提高有机LED器件效率17
5.3有机层掺杂提高有机LED器件效率17
5.4提高光的有效输出17
6总结18
致谢18
参考文献18
中文论文标题
字体：
黑体
字号：
小二居中
有机LED器件的发光效率及其影响因素研究
摘要：
有机LED器件具有色彩丰富、效率高、亮度强、寿命长、能耗低等许多卓越优点，被认为是新一代平板显示器的有力竞争者。
本文在简要介绍有机LED发
展历史、应用领域、器件结构和性能参数的基础上，重点阐述了有机LED的发光
效率和电致发光（EL）机理，并以结构为ITO/TPD/Alq”AI的双层有机LED器件作为研究对象，根据光度学理论计算研究了理想情况和实际情况下器件的发光效率，并结合有机LED的自身特征提出了提高器件发光效率的方法。
关键词：
有机LED;发光机理；电致发光效率
英文论文标题
字体：
TimesNewRoman
字号：
小二居中
Studyontheelectroluminesceneeefficiencyand
influentialfactorsoforganiclight-emittingdevice
Abstract：
Organiclight-emittingdevice（LED）hasbecomeaveryattractivecandidateasthenextgenerationflatpaneldisplaysduetoitsexcellentfeaturessuchasfullcolor,highefficiency,highbrightness,longlifetimeandlowpowerconsumption.Thehistory,application,structureandperformaneeparametersoforganicLEDareintroduced,andthelightemissionmechanismandelectroluminescenee（EL）efficiencyarepresentedrespectively.Basedonthephotometrytheory,theELefficiencyincludingquantumefficiency,energyefficiencyandluminousefficiencyareinvestigatedfromperfectandactualaspectsforthedouble-layeredorganicLEDofITO/TPD/Alq3/AI.Inaddition,somemeasuresareputforwardtoimproveELefficiencyoforganicLED.
Keywords:
organicLED;lightemissionmechanism;electroluminesceneeefficiency
【格式】
摘要、关键字均为黑体，小四
中文摘要正文为宋体，小四
Abstract、Keywords为TimesNewRoman，小四
英文摘要正文为TimesNewRoman，小四
其中：
摘要和Abstract属于一级标题
【注意】
论文摘要不能几句话太简单。
因为摘要是论文的门面，很多人首先是通过看你的摘要就可大致判断你的写作能力、论文水平。
因此要重视摘要的写作。
摘要主要包括所做工作的意义、做了什么工作、怎么做的、得到了什么结论等。
写摘要很费时间，绝非两下子就搞定了，要结合论文的全文内容，绞尽脑汁、斟词酌句，方能较好地概括你的工作。
英文摘要基本上是中文摘要的翻译，要强调的是绝不能用什么“快译”之类的东西，也不能乱根据你所谓的理解发明一些词组，张冠李戴；首先不能岀现语法错误，其次应该符合英文
表达的习惯，尽量减少中国式英语的痕迹；尤其是一些专业术语，要查资料（如图书馆中国期
刊网相关的中文论文），看文献中别人是怎么用的。
1引言
一级标题字体格式：
黑体，小三二级标题字体格式：
黑体，四号三级标题字体格式：
黑体，小四
te、2.2、弑，有机
自从Tang和VanS*］首次报题序号效有机发、光二极管,（（、
LED已经成为当前国际上发光级示领域的热门研究、课题之一,2它不仅具2有优良
的性能价格比，而且还具有效率高、亮度强、视角宽、功耗小、驱动电压低、响
应速度快、易于实现全色显示、能制造成软屏等许多独特优点［2］，被公认为是继
液晶之后新一代显示器件的主流产品。
它可以应用于家电及仪表段式显示屏，新
型便携式装置（如手机、数码相机、PDA等显示终端）、手提电脑、壁挂式电
视机的显示终端和电子书籍等新型柔软显示屏，其应用潜力非常巨大。
为了改善有机LED器件的光电性能，早日实现其商业化造福于人类，提高器件的发光效率具有非常重要的意义，为此，本论文在介绍有机LED相关知识
的基础上，重点阐述了有机LED的发光效率和电致发光机理，并针对式分子有机LED器件分别在理想情况和实际情况下计算研究了器件的发光效率宋体同时结合有机LED的自身特征分析讨论了提高器件发光效率的具体方法号：
小四"亠工
行距：
1.25陪，无
2有机LED概述
2.1有机LED的发展历史
同无机电致发光（EL）器件相比，有机LED器件的研究要晚几十年。
最早的有机EL现象于1963年被美国NewYork大学的Pope发现［3］，当时利用蒽的单晶作为发光材料，由于其发光层的厚度高达10~20呵，因此，只有在外加达
400V的驱动电压下，才能观察到微弱的蓝色光发射。
后来Helfrich，Lohmann
和Williams等人继续进行了研究，并将驱动电压降低到了100V左右，外量子
效率提高到了5%（光子/电子-空穴对）。
由于单晶材料制备困难，而且驱动电压仍为百伏量级，使得这些器件还是没有任何的实用价值，有机EL的发展也因
此处于停滞状态。
1982年，Vincetl以半透明金作为阳极，利用真空镀膜的方法制备了50nm厚的蒽薄膜，使得器件的驱动电压降低到了30V以内，但其外量
子效率却降低到了0.03%左右。
总而言之，早期有机LED器件的特点是：
高驱动电压、低亮度、低效率。
1987年，美国EastmaKodak（柯达）公司的Tang和VanSlyke⑴利用氧化铟锡（ITO）导电玻璃作为阳极，二胺衍生物（HTMI）作为空穴传输层，8-羟基喹啉铝（Alq3）作为发光层，镁银合金（Mg:
Ag=10:
1）作为阴极，实现了在10V的驱动电压下，亮度为1,000cd/m2的绿光发射，而且器件的效率为1.5lm/W，寿命在100小时以上。
这项突破性的研究进展，不仅显示了有机LED器件的突
出优点和巨大的应用前景，而且揭示了有机LED器件设计的关键所在为正负载
流子的均衡注入与有效复合，具有里程碑意义。
1988年，日本九州大学Saito教授［4］领导的研究小组提出了引入电子传输层的概念，制备了稳定、低驱动电压、高亮度的具有多层结构的有机LED器件，并开展了大量系统和深入的研究工作。
1989年，Tang将DCM1和Coumarin（香豆素）掺杂在Alq3中，利用能量传递，实现了不同波长的高效发光，并由此设计出了一系列新型结构的发光器件。
在小分子有机LED器件迅速发展的同时，聚合物LED器件也取得了突破性进展。
1990年，英国剑桥大学的Burroughs等人在Nature上报道用导电高分子聚苯撑乙烯（poly（p-phenylenevinylene）,PPV）作为发光材料制成了聚合物LED器件，将有机电致发光的研究推广到了聚合物领域。
美国加州大学圣巴巴拉分校的Heeger等人［5］鉴于PPV的溶解性不好，对聚苯撑乙烯进行了烷氧基修饰，制备了具有良好溶解性的甲氧基异辛氧基聚苯撑乙烯（MEH-PPV）。
1991年，他们利用MEH-PPV在ITO上进行简单的旋涂成膜制备了聚合物LED器件，其外量子效率达到了1%。
有机聚合物LED器件的制备成功使有机EL材料基本上涵盖了有机物的全部领域。
目前最亮的有机LED器件可以超过140,000cd/m2，驱动电压大多低于10V,连续使用寿命长达10,000小时以上的器件也已经成功获得［6］，绿色和蓝色有机LED均已达到了实用化要求。
2.2有机LED的应用领域
有机LED器件的应用领域十分广阔，其中包括：
（1）作为二维光源，用作液晶显示的背光源；
（2）代替液晶显示器来制备小尺寸的显示器件，用于手机显示屏，PDA显示屏，MP3显示屏，数码相机显示屏等；（3）开发大尺寸的显示器，用作笔记本以及平板电视机等；（4）应用于室内和野外照明；（5）制成光电耦合器件，用于光通信，即用作集成电路上芯片与芯片间通信的单片光源；（6）制成可折叠的“电子报纸”；（7）全固态的结构，可用于航天器、飞机、坦克等的数字图像处理及移动设备的显示器。
2.3有机LED的优特点
作为新一代平板显示器件，有机LED具有以下优点：
材料采用有机物，选择范围宽，可实现从红光到蓝光的任何颜色的显示；与FED、PDP和LCD等平板显示相比，具有驱动电压低的特点，只需3~12V的直流电压；发光效率和发光亮度高；发光视角宽，响应速度快；超薄，重量轻，全固化的主动发光；可制作在柔性衬底上，器件可弯曲；工作温度范围宽；成型加工相对简便，可直接利用喷墨打印技术等形成复杂的图像和进行大规模、大面积生产，不要求昂贵的生产线和设备，并容易和其他产品集成，具有优良的性能价格比［7-12］；不受尺寸的限制，可实现从高分辨率头盔用的微显示到室外广告用的大屏幕显示；原材料极丰富，除了有机小分子和聚合物外，还可以通过改变聚合物的共扼链长度，替换
取代基，调整主、侧链结构及组成等方法得到包括红、绿、蓝三基色的各种颜色的发光，并可以用旋涂、浸涂等简单方式成膜，很容易实现大面积显示。
为了说明有机LED的优点，表1以TFT-LCD为例，从多个方面对二者进行了详细比较。
表1有机LED和TFT-LCD显示产品的性能比较表
性能参数
有机LED
TFT-LCD
1
表头标题为宋体，小真块或周围紧扣在表上，
不得置于标下方。
命名为表1、表2,,，以
发光方式
自主发光
需要背光源模
响应时间
几微秒
40毫秒
视角范围
>170度
>120度、
整文的表格顺序标号，
发光效率
>15lm/W
4~8lm/W
不分章节命名。
表号在正文中必须标
能耗大
勺【注mm
表格一律自画，不允许出现将别的地方的材料能差粘贴；表格为居*等齐。
害物质
ir|、土
川造成本相对较高
能耗大小
可达1mW，低于背光源LCD
使用背光源,
产品厚度
1~1.5mm
包括背光源纟
操作温度
-0~85°C
0~50oC
抗震性能
全固态，抗震性能好
液晶材料抗震
环保性能
材料满足绿色环保要求
背光源中含水
制造成本
制造成本比LCD低40%左右
工艺复杂使制
制造工艺
结构简单，制造工艺简化
器件结构、制造工艺较复杂
柔性设计
可米用塑料基板实现柔性显示
不能实现柔性显示
产品重量
手机应用中小于1g
手机应用大约9g
彩色方式
三色发光材料、彩色滤光片等
彩色滤光片
2.4有机LED的性能参数
能量效率E是指发射光的光输出功率Pf与激发时输入的电功率或被吸收的光子功率巳之比，即：
Pf
Pc
由于人眼对各种波长的光敏感程度不一样，对555nm的绿光最敏感，对其他波长的敏感程度则用光见度函数「（J来表示，会产生这样一个问题，即使有一些能量效率相同的发光器件，但人眼看起来有的比较亮，有的不很亮。
因此用
人眼来衡量发光效率时又必须引进流明效率（或光度效率）l°
流明效率l即是发光器件发射的光通量F（以流明一Im为单位）与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率及之比，即:
3有机LED器件结构和发光机理
3.1有机LED的器件结构
己有的研究表明，有机LED器件的结构对于提高器件的效率、亮度和寿命等起着至关重要的作用。
迄今为止，各种结构的器件己经设计并制备出来，但其基本结构均包括阴极、阳极以及夹在两个电极之间的具有半导体性质的有机薄膜，其中一个电极为透明电极（一般用ITO导电玻璃），以便获得发光面。
根据各有机层在器件中的作用，可以分为发光层、空穴传输层、电子传输层、空穴注入层、空穴阻挡层等。
根据器件中有机层数的多少可将器件分为单层结构、双层结构、多层结构等。
由于大多数有机LED器件中发光材料是单极性的，要么具有传输空穴的性质，要么具有传输电子的性质，而同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少。
如果这种单极性的有机物作为单层器件的发光材料，会使电子与空穴的复合区自然的靠近某一电极，复合区越靠近某一电极就越容易被该电极所猝熄，而
这种猝熄将有损于有机物的有效发光，从而使有机LED器件的发光效率降低。
有机LED器件的典型结构为图1所示的“三明治”型。
阳极一般采用功函数较大的ITO导电玻璃，作为良好的空穴注入材料，而阴极一般采用功函数较小的金属，如Al，Mg，镁铝合金或Ca等，使之能有效地向发光层注入电子，以提高发光亮度和降低驱动电压，但在考虑金属电极的低功函数性质时，必须同时兼顾到其化学的稳定性。
此结构中使用空穴和电子传输层来提高器件的导电能力。
在器件中各有机功能层分别起电子传输、发光、空穴传输的作用，从而使器件具有很好的载流子注入和传输能力，同时能够将正负载流子有效地阻挡在发光层内，实现载流子的最大复合，因此这类器件有着较高的发光效率和亮度。
同时，
由于各有机功能层在器件中各司其职，这样对于材料的选择和器件的优化都非常方便，它是目前有机LED器件中最常采用的一种结构。
图表居中对齐。
图标题为宋体，小四，居中，紧扣在图下，不得置于图上方。
命名为图1、图2”，以整文的图表顺序标
3.2有机LED的发光机理
有机LED器件是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。
当电极上加
有电压时，发光层就产生光辐射。
和无机薄膜LED器件不同，有机材料的电致
发光属于注入式的复合发光，其发光机理是由正极和负极产生的空穴和电子在发光材料中复合成为激子，当激子的能量转移到发光分子时，发光分子中的电子被激发到激发态，而激发态是一个不稳定的状态，去激过程产生光辐射。
为增强电
子和空穴的注入和传输能力，通常又在ITO和发光层间增加一层有机空穴传输
层或/和在发光层与金属电极之间增加一层电子传输层，以提高器件发光效率。
有机LED发光过程的Jablonsky能级图如图2所示。
S2
Internal
conversion
Ti
Phosphorescenee
2
So1
0
图2有机LED发光过程的Jablonsky能级图
其能量可以通过以下几种方式释放：
（1）通过振动驰豫、热效应等耗散途径使体系能量衰减；
（2）通过非辐射的跃迁，耗散能量，比如内部转换、系间窜跃等形式，如Si—Ti;（3）通过辐射跃迁的荧光发光（Si—So,S2-So）和磷光发光（Ti—So）。
在能量释放时，这些不同形式的能量耗散过程是一个相互竞争的过程。
在常温下，有机分子的磷光非常微弱，所以只有其中空穴和电子复合成单重态激子的部分才能通过辐射跃迁发射荧光，从而成为有效的有机电致发光。
其中本身能发生辐射跃迁发光的那部分只是所吸收的总体能量中很小的一部分，即总体吸收的能量中能够转化为电致发光部分的能量很少。
而且，在器件的
制备过程中，材料的缺陷、电极的纯度以及不同材料界面对发光强度和整体性能都有很大的影响。
有机LED器件的发光机理一般认为由以下四个过程来完成，即：
载流子注入、载流子迁移、载流子复合成激子、发光材料受激发光。
以典型的“三明治”结构为例，其发光原理如图3所示，具体过程如下：
图3有机LED的发光原理示意图
3.2.1载流子注入
载流子注入过程：
在外加电场的作用下，电子从阴极注入到电子传输层的最低空分子轨道（LUMO）中，空穴从阳极注入到空穴传输层的最高占有分子轨道
（HOMO）中。
电子和空穴注入相应的轨道时需要分别克服能垒①e和①h。
①e
是阴极功函数与电子传输层的LUMO之间的能垒，①h是阳极功函数与空穴传输层的HOMO之间的能垒。
载流子的注入效率对器件的启亮电压和发光效率甚至寿命等各项性能都具有很大的影响。
如果载流子能够有效地注入，则能降低启亮电压，并能在较低的驱动电压下得到较高的发光效率和亮度，这对实际应用来说其意义十分重大。
载流子的注入机理通常有空间电荷限制电流注入和隧穿注入两种［13,14］。
无论哪种注入方式，电极材料与有机传输层之间的能垒大小以及电极与有机传输材料之间是否有效接触等因素都将直接影响载流子的注入效率。
可以相应的从以下几个方面来改善载流子的注入效率：
（1）选择合适的电极材料来降低载流子注入能垒，以提高载流子的注入效率。
一般原则是阳极材料的功函数越高越好，阴极材料的功函数越低越好。
目前报道的文献中，阳极材料一般使用高功函数的ITO，它的功函数约为4.7eV;阴极材料一般使用低功函数的Mg:
Ag合金（功函数约为3.7eV）或Li:
AI合金（功函数约为3.2eV）;
（2）选用具有合适能级的有机注入材料。
例如具有适当高的HOMO能级的空穴传输材料以及具有适当低的LUMO能级的电子传输材料也都能在一定程度上减小载流子注入能垒，从而促进载流子从电极向有机材料层的注入;（3）改善有机LED器件的
结构来提高载流子的注入效率，比如加入电子或空穴注入层等。
3.2.2载流子迁移
载流子迁移是指注入的电子和空穴分别在电子传输层和空穴传输层内向发光层迁移。
载流子迁移率是有机传输材料的一个非常重要的参数，它定义为在单位电场强度作用下载流子沿外加电场方向的平均迁移速度，单位是cm2/V.s。
载
流子迁移率的大小直接影响着器件的工作电压、发光效率和亮度。
有机传输层的载流子迁移率越大，越有利于降低器件的驱动电压和提高器件的发光亮度及效率。
载流子迁移率是由传输材料本身的特性所决定的。
有些有机材料既能传输电子又能传输空穴，但是目前已经使用的有机载流子传输材料中，大多数是对某一种载流子表现出较高的迁移率，因而成为这种载流子传输材料。
一般的规律是：
带有强给电子基团的化合物具有较强的空穴传输能力，例如空穴传输材料NPB和TPD;带有强吸电子基团的化合物具有较强的电子传输能力，例如电子传输材料Alq3。
理想的有机LED器件不仅要求各传输材料的载流子迁移率要尽可能大，而且要求两种载流子的传输速率要相互匹配，以保证两种载流子在发光界面上尽可能达到数目平衡，从而提高载流子复合效率以及器件的发光效率。
目前多数空穴传输材料的空穴迁移率在10-3cm2/V.s数量级，而常用的电子传输材料的电子迁移率在10-6cm2/V.s数量级，即空穴传输速率大约是电子传输速率的1000倍[15]。
空穴和电子传输速率的不平衡是导致有机LED器件的工作电压偏高，发光效率和使用寿命低于实用化要求的重要原因之一。
3.2.3载流子复合形成激子电子和空穴经过电子传输层和空穴传输层的迁移注入到发光层，然后在这里复合产生激子。
伴随着电荷复合产生激子，体系的能量以激发能的形式贮存在发光分子中。
载流子复合产生激子是电致发光过程的一个非常关键的环节，复合效率的高低在一定程度上影响着整个器件的发光效率。
而载流子复合效率又直接决定于到达发光层或者发光界面的电子和空穴数目是否平衡。
为了提高载流子的复合效率，平衡到达发光层或者发光界面的电子和空穴的数目至关重要。
载流子复合形成的激子中既有单重态也有三重态。
按照自旋统计规则[16]，电致发光器件中形成三重态激子的几率与形成单重态激子几率的比例是3:
1。
因此在单重态激子发光的荧光器件中，发光的最大内量子效率理论上限是25%；而在三重态激子发光的磷光电致发光器件中，由于单重态到三重态的系间窜越充分利用了占总激子总数25%的单重态，其发光的理论内量子效率可以高达100%。
因此，与荧光材料相比，磷光材料在发光效率上有着绝对的优势和应用前景。
但是，由于三重态的寿命要比单重态的寿命长得多（约1000倍），三重态激子之间的湮灭以及自然环境中的氧气分子和其他物质对三重态的猝熄导致有机磷光EL器件的效率衰减非常快。
因而通过修饰发光材料的化学结构来制备三重态寿命相对较短的磷光材料，是提高三重态发光效率的重要手段。
3.2.4发光分子受激发光
电子和空穴复合产生的激子将能量传递给发光材料分子，发光材料分子被激发后辐射发光。
这一过程的效率是由发光材料本身在固态下的发光量子效率决定的。
通常决定材料在固态时的发光量子效率的因素有两个：
（1）材料本身处于单分子状态时的发光量子效率。
单分子状态时的量子效率是材料的本征特性，这个数值越高越好，很多激光材料的量子效率接近100%；
（2）材料分子的构型对材料发光强弱尤其是固态薄膜中的发光有着非常重要的影响，它
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