folio中南民族大学2012届毕业论文(设计)模板

2021年1月21日发(作者：一寸光阴一寸金英文)



















毕业论文
（
设计
）
y

项目栏

字号：二号

字型：楷体

分散对齐

字型：仿宋居中

横线填写栏

字号：
20

字型：楷体

填写居中

学院
:
电子信息工程学院

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。

注：本页放在学位论文封面后，目录前面
作者签名：
年


日



月

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

.........

论文
.
目录为自动生成的格式，

允许手工制作。

不

1
2
2
2
3
3
4
5
5
【格式】…

行距：
...
1:25
倍

字体
:..
宋体

字
号
6
8
8
9
9
10
：
小四

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：
Times New Roman

字号：小二

居中

Study on the electrol umin esce nee efficie ncy and
in flue ntial factors of orga nic light-emitti ng device
Abstract
：

Orga nic light-emitti ng device (LED) has become a very attractive can
didate as the n ext gen eratio n flat panel displays due to its excelle nt features such as
full color, high efficiency, high brightness, long lifetime and low power consumption.
The history, application, structure and performanee parameters of organic LED are
introduced, and the light emission mechanism and electroluminescenee (EL) efficiency
are presented respectively. Based on the photometry theory, the EL efficiency including
quantum efficiency, energy efficiency and luminous efficiency are inv estigated from
perfect and actual aspects for the double-layered orga nic LED of ITO/TPD/Alq
3
/AI. In
addition, some measures are put forward to improve EL efficie ncy of orga nic LED.
Key words:
orga nic LED; light emissi on mecha ni sm; electrolumi nesce nee efficie
ncy
【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
、
Key words
为

Times New Roman
，小四

英文摘要正文为

Times New Roman
，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。
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，
1
引言

小四

自从
Ta ng
和
Va nS*
］
首次报
题序号< br>效有机发、光
te
、
2.2
、弑，有机

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< br>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
New York
大学的
Pope
发现
其发光层的厚度高达

［
3
］
，当时利用蒽的

单晶作为发光材料，由于
10~20
呵，因此，只有在外加达

Helfrich
，
Lohmann

100 V
左右，外量子

EL
的发展也因

30 V
以内，但其外量

400 V
的驱动电压下，才能观察到微弱的蓝色光发射。后来

和
Williams
等人继续进行了研究，并将驱动电压降低到了

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

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

50 nm
厚的蒽薄膜，使得器件的驱动电压降低到了

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
Eastma Kodak
（
柯达）公司的Tang
和
VanSlyke
⑴
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（
Alq
3
）作
为发光层，镁银合金（
Mg:Ag=10:1
）作为阴极，实现了在
10 V
的驱动电压下，亮度为
1,000
cd/m
2
的绿光发射，而且器件的效率为

1.5 lm/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

出优点和巨大的应用前景，而且揭示了有机

流子的均衡注入与有效复合，具有里程碑意义。

LED
器件的突

LED
器件设计的关键所在为正负载

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
2


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

Alq
3
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-phenylene vinylene), 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
140,000 cd/m
2
，驱

动电
压大多低于
10 V
,
连续使用寿命长达
10,000
小时以上的器件也已经成功获

得
机

LED
均已达到了实用化要求。

［
6
］
，绿色和蓝色有
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

3~12 V
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
3


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

有机
LED

性能参数

发光方式

响应时间

视角范围

发光效率

能耗大小

产品厚度

操作温度

抗震性能

环保性能

制造成本

制造工艺

柔性设计

产品重量


TFT-LCD

1

自主发光

几微秒

需要背光源模

表头标题为宋体，小

真块或
周围
紧扣在表上，

40
毫秒

不得置于标下方。命名

为表
>170
度

>15 lm/W

可达
1 mW
，低于背光源
LCD

>120
度、

4~8 lm/W

使用背光源
,
1
、表
2,,
，以

整文的表格顺序标号，

不分章节命名。

表号在正文中必须标

能耗大

表格一律自画，不允许

出现将
别的地方的材

料
能差
粘贴；表
1~1.5 mm

-
0~85
°
C

全固态，抗震性能好

材料满足绿色环保要求

制造成本比
LCD
低
40%
左右

结构简单，制造工艺简化

可米用塑料基板实现柔性显示

手机应用中小于
1 g

三色发光材料、彩色滤光片等

包括背光源纟

勺【注
mm

0~50
o
C

液晶材料抗震

格为居
*
等齐。
害物质

背光源中含水

ir |
、土

工艺复杂使制

川造成本相对较高

器件结构、制造工艺较复杂

不能实现柔性显示

手机应用大约
9 g

彩色滤光片

彩色方式

2.4
有机
LED
的性能参数

一般来讲，有机
LED
器件的性能可以从发光性能和电学性能两个方面来评

价。发光性
能主要包括：发光效率、发射光谱、发光亮度、发光色度和寿命；电

学性能则包括电流与电
压的关系、

发光亮度与电压的关系等，这些参数对于发光

的基础理论研究和技术应用极为重
要。

所有公式请用公式编辑器

这里主要介绍有机
LED
器件的发光效率。发光效率是
起一
量发光体 好坏的一

个十分重要
有
的重要指
且公式号靠
通常采

量效
用三种方法

的物理量，它也是直接反映发光性

来表示发光效率，即量子效率（）、能

率（
L
，又称光度效
率（
格式为
又称
&
率效率

Romn
，小
和流明效

率）。

四，居中。

量子效率
口
是表示某发光体发射的光子数
以< br>IN
文
与激发时所吸收的光
公式标号为（
1
）、（

2
）

,,
，

-
空穴对）数
N
x
之比，即：

（右对齐）

子（或电子


n
=
一

N
x

能量效率
E
是指发 射光的光输出功率
P
f
与激发时输入的电功率或被吸收的

光子功率巳之
比，即：

4


P
f

Pc
由于人眼对各种波长的光敏感程度不一样，对

555 nm
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。

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
因此用

°

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，

这种猝熄将有损于有机物的有效发光，从而使有机

而

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< br>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，
5


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

号，不

分章节命名。图号在正

文中
必须标注出来。

【注意】论文中除极个

别情况外
（
要经老师同

意
）
，所有图形必须是

性
生
或


表

电子传输层
（
ETL
）

发光层
（
EML
）
（

HTL
）

空穴传输层
阳极
（
ITO
导电玻璃
）

glass
图
1
有机
LED
的典型结构示意图

在实际的器件设计中，为了使有机

LED
器件的各项项
,
各有机功能层的作用，通常还会有针对性的引入空穴注入层或电子注
出现将别的地
这些

而

粘贴过

辅助有机层的引入不但可以保证有机功能层同电极之间具有良

来的现象。

且能够使载流子更加有效地注入到有机层中。

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，

子和空穴的注入和传输能力，通常又在

去激过程产生光辐射。为增强电

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
Jabl on sky
能级图如图
2
所示。


6


S
2

In ternal
con versi
on
S
i

In
tersystem
-
一、
T
i

Absorpti on
Fluoresce nee
Phosphorescenee

2
S
o
1
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

S
i
—
T
i
;
（

3
） 通
过辐射跃迁的荧光发光（
S
i
—
S
o
,
S
2
-
S
o
）和

磷光发光（
T
i
—
S
o
）。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
7


(
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

①
e
和

①
h
。①
e

是阴极功函数与电子传输层的

LUMO
之间的能垒，①
h
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
4.7
eV
;
阴极材
料一般使用低功函数的

Mg:Ag
合金
(
功函数约为
3.7 eV
)
或
Li:AI
合金
(
功函数约为
3.2 eV
);(
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

cm
2
/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 < br>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
Alq
3
。
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
-3
cm
2
/V.s
数量级，
而常用的电子传输材料的

电子迁移率在

10
-6
cm
2
/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
8