氧化鋰電子緩衝層對有機電致發光元件之影響

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研究生：	呂前宏 Chien-Hung Lu
論文名稱：	氧化鋰電子緩衝層對有機電致發光元件之影響 Effect of Lithium Oxide Electronic Buffer Layer on Organic Electronluminescent Devices
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：	2001
畢業學年度：	89
語文別：	中文
論文頁數：	68
中文關鍵詞：	氧化鋰、有機電致發光元件、可撓式、有機發光二極體
外文關鍵詞：	Lithium oxide, organic electronluminescent devices, flexible, organic light emitting diodes
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摘要
本研究採用一種新材料Li2O作為電子緩衝層，藉由Li2O電子緩衝層的加入，來提高電子射入有機層的能力，進而提昇元件的亮度及發光效率。本論文共分三部份：1. Li2O對有機電致發光元件之影響，2. Li2O在Al負電極與Alq3界面間之影響，3. Li2O對可撓式有機電致發光元件之影響。

在第一部份，其元件結構為ITO(750Å)/TPD(400Å)/Alq3(400 Å)/Li2O(0-20Å)/Al(1500Å)，結果顯示Li2O為5Å的元件，輸出亮度在100cd/m2時，其驅動電壓為6.8V，Li2O為10 Å及20 Å的元件，驅動電壓分別為6.7V及6.9V，而不含Li2O的元件，驅動電壓為8.6V；當施以13V的電壓時，Li2O為5 Å的元件亮度為10440 cd/m2，當驅動電壓為7V時，元件發光效率為1.28 lm/W，在固定2mA的電流操作下，元件發光亮度於2小時後衰減至原來的0.9，於4小時後衰減至原來的0.88，實驗結果顯示，Li2O為5 Å的元件，其元件特性表現是最好的。

而在原子力顯微鏡分析方面，由實驗結果得知，Li2O與有機層Alq3接著性良好。而元件在加入Li2O緩衝層後，鋁膜在元件Al/Alq3界面的突刺明顯減少，且粗糙度也趨於平坦。由此可知，Li2O緩衝層有效阻擋Al膜突刺深入有機層，不至於因鋁膜尖端放電使元件損壞，而且使元件有效地將電子射入有機層，進而提高電子電洞覆合效率及發光亮度。推測這是元件亮度及發光效率大幅改善的主要原因。

在第二部分，本研究分別鍍覆一層(Li2O+Alq3)與(Al+ Li2O)於Al負電極與Alq3界面間，即形成結構分別為ITO(750 Å )/TPD(400 Å )/ Alq3(350Å)/(Alq3+Li2O)(50Å )/Al(1500 Å)與ITO(750 Å )/TPD(400 Å )/ Alq3(400 Å)/(Li2O+Al)(50 Å )/Al(1500 Å)，實驗結果顯示，在通以9V的驅動電壓時，Alq3/ (Alq3+Li2O)/Al及Alq3/ (Li2O+Al)/Al元件發光效率分別為0.72及0.53 lm/W，而未加入Li2O之元件發光效率為0.41 lm/W，顯然，加入Li2O之元件，發光效率皆呈現較好表現。而在元件穩定性方面，Alq3/(Alq3+Li2O)/Al與Alq3/(Li2O+Al)/Al元件，亮度分別於2小時後衰減至原來的0.73及0.49，4小時後分別衰減至原來的0.71及0.41；而未加入Li2O之元件，亮度於2小時後衰減至原來的0.21，4小時後衰減至原來的0.13，在Alq3與Al這兩層之間，無論是加入(Alq3+Li2O)或(Li2O+Al)於元件中，其穩定性皆比原來的好。

在第三部份，以Li2O作為電子緩衝層，製備可撓式有機電致發光元件，其結構為在可撓式塑膠基材上鍍上Ag(400 Å )/TPD(400 Å )/ Alq3(400 Å )/ Li2O(5 Å )/Al(1500 Å)，結果顯示，以100cd/m2為比較亮度時，ITO玻璃基材之元件，驅動電壓為6.8V；可撓式塑膠基材元件，驅動電壓為7.5V。在驅動電壓為10V時，ITO玻璃基材之元件亮度為2240cd/m2，可撓式塑膠基材元件亮度為1340cd/m2；在驅動電壓為5V時，ITO玻璃基材之元件發光效率為0.76 lm/W，可撓式塑膠基材元件發光效率為0.15 lm/W；在驅動電壓為9V時，ITO玻璃基材之元件發光效率升至1.18 lm/W，而可撓式塑膠基材元件發光效率升至1.1 lm/W，對於Li2O加入可撓式有機電致發光元件，不但元件亮度提昇，而且發光效率也達到和ITO玻璃基材元件之水準。

目錄
獻………………………………………………………………………..Ⅴ

致謝……………………………………………………………………..Ⅵ

摘要……………………………………………………………………..Ⅷ

圖目錄…………………………………………………………………...A

表目錄…………………………………………………………………...C

壹、 緒論…………………………………………………………………1

貳、 文獻回顧……………………………………………………………4

2-1、有機電致發光元件的發光原理與構造…………………………..4

2-2、有機電致發光元件的發展…………………………………………5

2-3、有機電致發光元件材料特性與進展………………………………6

  2-3-1、小分子有機材料………………………………………………7

  2-3-2、高分子有機材料……………………………………………..10

2-4、改善有機發光元件發光效率的重要發展………………………..11

   2-4-1、結構方面的改善…………………………………………….11

   2-4-2、低功函數負電極…………………………………………….11

   2-4-3、主體(host)-客體(guest)材料摻雜系統………………….12

   2-4-4、緩衝層(buffer layer)的加入……………………………13

2-5、不同的有機發光元件結構……………………………………….14

    2-5-1、TOLED(Transparent Organic Light Emitting Devices)…........................................................14

    2-5-2、IOLED(Inverted Organic Light Emitting Devices)………....................................................15

    2-5-3、SOLED(Stacked Organic Light Emitting Devices)………....................................................16

    2-5-4、可撓式有機電致發光元件(Flexible OLED)…………….16

2-6、元件的驅動方式…………………………………………………..16

    2-6-1、被動矩陣式(passive matrix)……………………………16

    2-6-2、主動矩陣式(active matrix)…………………………….17

2-7、元件衰壞機制……………………………………………………..17

參、 實驗方法…………………………………………………………..19

3-1、材料………………………………………………………………..19

3-2、蒸鍍裝置…………………………………………………………..19

3-3、單體沉積速率之測定……………………………………………..20

3-4、電致發光元件之電路設計………………………………………..20

3-5、基材的清洗………………………………………………………..20

3-6、氧化鋰電子緩衝層之製備………………………………………..21

3-7、電流、電壓與亮度關係曲線圖之量測…………………………..21

3-8、發光效率(luminescence efficiency)之計算…………………21

3-9、元件亮度隨時間衰減關係之量測……………………………….22

3-10、原子力顯微鏡(AFM)之量測……………………………………22

  3-10-1、Li2O在有機層Alq3上之表面粗糙度分析…………………22

  3-10-2、鋁(Al)膜在Al/Alq3界面之表面粗糙度分析………………22

肆、 結果與討論………………………………………………………..24

4-1、石英震盪膜厚計之校正………………………………………….25

4-2、氧化鋰電子緩衝層對元件之影響研究………………………….25

   4-2-1、元件結構與鍍膜參數………………………………………26

   4-2-2、元件面電流-電壓-亮度特性……………………………….26

   4-2-3、元件發光效率-電壓特性……………………………………27

   4-2-4、元件穩定性探討……………………………………………27

   4-2-5、原子力顯微鏡之觀察……………………………………….28

4-3、元件有機層與負電極界面探討研究……………………………..28

   4-3-1、元件結構與鍍膜參數……………………………………….29

     4-3-1-1、Alq3/Li2O+Alq3/Al結構……………………………….29

     4-3-1-2、Alq3/Li2O+Al/Al結構………………………………….29

   4-3-2、元件面電流-電壓-亮度特性………………………………..30

   4-3-3、元件發光效率-電壓特性……………………………………31

   4-3-4、元件穩定性探討…………………………………………….31

4-4、可撓式有機電致發光元件研究………………………………….32

   4-4-1、元件結構與鍍膜參數……………………………………….32

   4-4-2、不同基材之元件亮度-電壓特性……………………………33

   4-4-3、不同基材之元件發光效率-電壓特性………………………33

伍、結論…………………………………………………………………35

陸、參考文獻……………………………………………………………37

圖目錄

圖一、有機電致發光元件示意圖……………………………………43

圖二、典型雙層有機電致發光元件之分子能階示意圖……………44

圖三、1990年Adachi等人所發表的幽禁式(confinement)的三層結構

      …………………………………………………………………45

圖四、1992年Gustafsson等人發表的可撓式有機電致發光元件..46

圖五、透明有機電致發光元件示意圖………………………………47

圖六、反置型有機電致發光元件結構圖……………………………48

圖七、疊積型有機電致發光元件結構圖……………………………49

圖八、本研究所使用有機材料之化學結構示意圖…………………50

圖九、本研究所使用真空蒸鍍裝置示意圖…………………………51

圖十、施予一正向偏壓之元件：(a)傳統ITO玻璃基材之有機電致發

      光元件；(b)可撓式有機電致發光元件…………………….52

圖十一、Li2O緩衝層對有機電致發光元件影響研究之元件結構圖…

        ……………………………………………………………….53

圖十二、界面探討之元件結構圖…………………………………….54

圖十三、本研究之可撓式有機電致發光元件結構圖……………….55

圖十四、不同厚度Li2O之元件面電流-電壓關係圖………………..56

圖十五、不同厚度Li2O之元件亮度-電壓關係圖…………………..57

圖十六、不同厚度Li2O之元件發光效率-電壓關係圖……………..58

圖十七、在2mA電流操作下，元件亮度隨時間衰減情形…..……..59

圖十八、元件原子力顯微鏡影像圖：(a)Si/Alq3(400Å)；(b)Si/Alq3(400Å)/Li2O(20 Å)………………………………………….………..60

圖十九、Al膜之原子力顯微鏡影像圖…………………….…………61

圖二十、界面研究之元件電流密度-電壓關係圖……………….….62

圖二十一、界面研究之元件亮度-電壓關係圖……………….………63

圖二十二、界面研究之元件發光效率-電壓關係圖………….………64

圖二十三、界面研究之元件亮度隨時間衰減情形…………..………65

圖二十四、不同基材之元件亮度-電壓關係圖……………….………66

圖二十五、不同基材之元件發光效率-電壓關係圖……….…………67

圖二十六、發光面積為字型"NTHU"、"前宏"及"佩怡"之有機電致發

          光元件……………………………………………………..68

表目錄

表一、本實驗所使用材料之膜厚校正值………………………………41

表二、元件表面粗糙度…………………………………………………42

陸、參考文獻
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