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研究生: 陳正忠
Cheng-Chung Chen
論文名稱: 奈米點強化含共主體結構之高效率純白光有機發光二極體
Nano-Dot-Enhanced High-Efficiency Pure-White Organic Light-Emitting Diodes with Mixed-Host Structure
指導教授: 周卓煇
Jwo-Huei Jou
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 111
中文關鍵詞: 奈米點共主體高效率純白光有機發光二極體
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  • 本研究摻混奈米點於電洞傳輸層中,以製備高效率白光有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diodes);其中,奈米點為聚矽酸(polysilicic acid, PSA),電洞傳輸層為poly(3,4-ethylene-dioxy- thiophene)-poly-(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS);所用發光層之共主體為50 wt %藍光N,N’-bis-(1-naphthy)-N,N’-di-phenyl-1,1’-biphenyl- 4-4’-diamine與50 wt % 深藍光2-(N,N-diphenylamino)-6-[4-(N,N- diphenylamino)styryl]naphthalene (NPB),並摻雜0.5 wt % 橘黃光染料5,6,11,12-tetraphenyl-naphthacene;電子傳輸材料為1,3,5-tris(N-phenyl- benzimidazol-2-yl)benzene;當奈米點摻混濃度為7.0 wt %時,所得純白光元件,亮度在100 cd/m2時,發光效率從13.5 lm/W (14.7 cd/A) 提升至17.1 lm/W (17.6 cd/A),其色座標為(0.30, 0.34);元件效率之提昇,可歸因於PSA奈米點可有效調整電洞進入發光層之數量,造成載子注入平衡;此外,將NPB置入PEDOT: PSS與單一發光層之間,所得白光元件,亮度於100 cd/m2時,發光效率從13.5 lm/W (14.7 cd/A) 提升至15.4 lm/W (15.6 cd/A),其色座標為(0.28, 0.34);此高效率可歸因為,電洞注入到發光層之能障提高,可避免過多電洞注入到發光層,使發光層中之電子-電洞注入平衡。


    摘要…………………………………………………………………… I 獻………………………………………………………………………II 誌謝………………………………………………………………… III 目錄……………………………………………………………………VI 表目錄………………………………………………………………… X 圖目錄…………………………………………………………………XI 壹、緒論……………………………………………………………… 1 貳、文獻回顧………………………………………………………… 4 2-1、有機發光二極體的歷史發展……………………………………4 2-2、發光原理……………………………………………………… 11 2-3、有機發光材料………………………………………………… 21 2-4、白光有機發光二極體之發展………………………………… 23 2-4-1、單層發光白光元件………………………………………… 27 2-4-2、積層發光白光元件………………………………………… 31 2-5、有機電致發光元件之壽命機制……………………………… 35 2-6、奈米點製備高效率OLEDs/PLEDs元件…………………………38 2-7、高外部量子效率OLEDs元件……………………………………41 參、實驗方法…………………………………………………………42 3-1、材料…………………………………………………………… 42 3-2、PSA奈米點之合成機制…………………………………………46 3-3、動態光散射…………………………………………………… 47 3-4、PSA奈米點表面電位量測………………………………………48 3-5、原子力顯微鏡………………………………………………… 49 3-6、蒸鍍裝置……………………………………………………… 52 3-7、蒸鍍速率之測定與校正……………………………………… 54 3-8、蒸鍍源之製備..……………………………………………… 55 3-9、基材清洗……………………………………………………… 56 3-10、旋轉塗佈電洞傳輸層…………………………………………56 3-11、元件之電路設計………………………………………………57 3-12、負電極之製備….……………….……………………………59 3-13、元件電流、電壓與亮度特性量測……………………………59 3-14、發光效率之計算………………………………………………61 3-15、元件壽命之量測………………………………………………62 3-16、最高已填滿分子軌域(highest occupied molecular orbital, HOMO)及最低未填滿分子軌域(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)之量測…………62 肆、結果與討論………………………………………………………63 4-1、高效率白光OLEDs元件…………………………………………63 4-1-1、PSA奈米點之粒徑分析………………………………………63 4-1-2、PSA奈米點表面電位分析……………………………………65 4-1-3、PSA奈米點摻混對電洞傳輸層表面粗糙度之影響…………65 4-1-4、元件結構及鍍膜參數……………………………………… 68 4-1-5、PSA奈米點摻混之元件發光發光特性………………………70 4-1-6、元件發光效率……………………………………………… 71 4-1-7、元件之亮度-電壓-電流密度關係………………………… 74 4-1-8、元件能階結構與PSA奈米點摻混電洞傳輸層之分散情形…76 4-1-9、電洞注入機制探討………………………………………… 81 4-1-10、載子注入平衡………………………………………………82 4-1-11、PSA奈米點掺混對白光元件壽命之影響………………… 83 4-2、高效率螢光白光有機發光二極體…………………………… 84 4-2-1、元件結構及鍍膜參數……………………………………… 84 4-2-2、元件之亮度-電壓-電流密度關係………………………… 86 4-2-3、元件發光效率……………………………………………… 89 4-3、雙電洞傳輸層製備高效率白光OLEDs…………………………90 4-3-1、元件結構及鍍膜參數……………………………………… 90 4-3-2、元件發光特性……………………………………………… 92 4-3-3、元件之亮度-電壓-電流密度關係………………………… 93 4-3-4、元件發光效率……………………………………………… 96 4-3-5、載子注入平衡……………………………………………… 97 伍、結論………………………………………………………………99 陸、參考資料……………………………………………………… 100 附錄、個人著作目錄……………………………………………… 109 表目錄 表一、不同色光之波長、HOMO-LUMO能階差及CIE座標……………13 表二、所用有機材料的膜厚校正值…………………………………55 表三、PSA奈米點摻混對白光OLEDs發光特性之影響………………71 表四、電洞傳輸層NPB厚度對白光OLEDs元件發光特性之影響……88 表五、雙電洞傳輸層之白光OLEDs元件發光特性………………… 92 圖目錄 圖一、1987年美國Kodak公司首創異質接面之雙層OLEDs元件結構及能 階圖…………………………………………………………… 6 圖二、英國劍橋大學Calvendish實驗室利用共軛聚合物(PPV)所發表 的單層PLEDs元件結構圖………………………………………8 圖三、日本Saito等人提出載子再結合區位於具電洞傳輸功能的發光 層之OLEDs元件結構……………………………………………9 圖四、1991年Adachi等人發表的三層OLEDs元件結構圖………… 10 圖五、1992年日本Kido教授提出一種具有幽禁層(confinement layer)構造之三層OLEDs元件結構………………………… 10 圖六、有機電致發光元件之結構及能階示意圖……………………12 圖七、電子與電洞經再結合後之能量分配及能階示意圖…………14 圖八、Förster與Dexter兩種能量轉移機制示意圖……………… 16 圖九、1931國際照明標準委員會(Commission International de L’ Eclairage)色座標……………………………………………24 圖十、單層WOLEDs結構:(a)三波長WOLEDs元件及(b)雙波長WOLEDs元 件………………………………………………………………25 圖十一、積層WOLEDs結構:(a)三波長WOLEDs元件及(b)雙波長WOLEDs 元件……………………………………………………………26 圖十二、1997年Carter 教授將SiO2及TiO2奈米點摻混於MEH-PPV高分 子中……………………………………………………………38 圖十三、1999 年Carter 教授使用末端胺基矽烷改質ITO表面電性並 摻混SiO2奈米點,阻擋電子與提高電洞注入至發光層中…39 圖十四、2005 年Gigli等人將CdSe/ZnS量子點摻混進PFH-MEH高分子 中………………………………………………………………40 圖十五、有機材料DPASN、NPB及Rubrene之化學結構式………… 43 圖十六、有機材料t-NPD、PEDOT: PSS、TPBi及Alq3之化學結構 式………………………………………………………………45 圖十七、PSA奈米點之合成機制…………………………………… 46 圖十八、原子力顯微鏡操作原理示意………………………………50 圖十九、AFM表面粗糙度示意圖…………………………………… 51 圖二十、真空蒸鍍聚合系統之示意圖………………………………53 圖二十一、OLEDs元件之電路設計及其製作流程圖……………… 58 圖二十二、OLEDs元件之電流-電壓-亮度(I-V-B)及CIE色座標量測示 意圖……………………………………………………………60 圖二十三、PSA 奈米點之TEM量測與動態光散射分析…………… 64 圖二十四、PSA奈米點之表面電位分析結果……………………… 65 圖二十五、ITO表面之AFM量測圖……………………………………66 圖二十六、PEDOT: PSS覆蓋於ITO之AFM量測圖……………………66 圖二十七、PSA 奈米點掺混PEDOT: PSS覆蓋ITO之AFM量測圖……67 圖二十八、白光OLEDs元件結構圖………………………………… 69 圖二十九、PSA奈米點摻混對白光OLEDs元件能量效率之影響……72 圖三十、PSA奈米點摻混對白光OLEDs元件電流效率之影響………72 圖三十一、PSA奈米點摻混對白光OLEDs元件面電流之影響………74 圖三十二、PSA奈米點摻混對白光OLEDs元件發光亮度之影響……75 圖三十三、元件能階結構與PSA奈米點摻混電洞傳輸層之分散情 形………………………………………………………………80 圖三十四、摻混PSA奈米點之電洞注入機制示意圖……………… 81 圖三十五、摻混PSA奈米點之載子分佈示意圖…………………… 82 圖三十六、PSA奈米點掺混對白光OLEDs元件壽命之影響…………83 圖三十七、白光OLEDs元件結構圖………………………………… 85 圖三十八、NPB傳輸層厚度對白光OLEDs面電流之影響……………86 圖三十九、NPB傳輸層厚度對白光OLEDs元件亮度之影響…………88 圖四十、NPB傳輸層厚度對白光OLEDs元件效能之影響……………89 圖四十一、白光OLEDs元件結構圖………………………………… 91 圖四十二、雙電洞傳輸層對白光OLEDs元件亮度之影響………… 94 圖四十三、雙電洞傳輸層對白光OLEDs面電流之影響…………… 95 圖四十四、雙電洞傳輸層對白光OLEDs元件效能之影響………… 96 圖四十五、使用雙層電洞傳輸層之載子分佈示意…………………98

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