有机电致发光器件瞬态光电响应特性研究

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有机发光二极管(Organic light-emitting diode,OLED)具有自发光、高亮度、高效率、广色域、广视角、驱动电压低、响应速度快、工艺简单、可弯曲及超薄可透明等优势。有机发光二极管目前已经在照明及显示领域具有广泛的应用,并且展现出迅猛的发展势头。因此,针对OLED器件工作机理的研究以及开发性能优良的新材料依然吸引着众多研究人员的兴趣。然而OLED在瞬态电致发光过程中的电荷注入、传输及复合等物理机理以及其电容特性研究尚不充分,因此有必要对OLED在瞬态电驱动下的发光过程及机理进行深入的研究。  本论文利用自行设计的脉冲响应测试平台及Agilent B1500A半导体测试仪,研究OLED器件的瞬态光学及电学特性,探讨OLED载流子注入和传输机制。主要研究内容包括OLED器件在脉冲电压下驱动下的瞬态电致发光响应特性研究、电流响应特性研究及电容-电压特性研究。主要成果如下:  (1)针对OLED器件瞬态电致发光响应特性及电流响应特性研究,设计并搭建了瞬态光电响应测试系统,能够实现对OLED器件在脉冲电压驱动下的瞬态电致发光响应特性以及电流响应特性的测试。  (2)利用瞬态光电致发光响应测试系统研究了空穴注入势垒、空穴阻挡层(HBL)以及激子寿命对OLED器件的瞬态电致发光响应特性。通过对瞬态电致发光响应延迟时间、衰减时间及衰减过程中的overshoot现象的研究发现,OLED器件的瞬态电致发光光响应延迟时间主要受空穴注入势垒的影响,空穴注入势垒越大,光响应延迟越大;光衰减过程则由脉冲电压结束时器件内部堆积的载流子及激子等引起,载流子堆积量越大,光衰减时间越长,而载流子堆积量受空穴注入势垒、空穴阻挡层及激子寿命的综合影响;光衰减时间随电压增加而出现的拐点现象由器件内堆积电荷量变化引起;光衰减过程中的overshoot现象,其出现时间受激子寿命及激子在发光层堆积位置(主体材料或客体材料)的影响。  (3)利用瞬态电流响应测试系统研究了空穴注入势垒、器件结构对OLED器件在脉冲电压驱动下的电流响应特性的影响。研究发现OLED瞬态电流响应特性揭示了与OLED器件的瞬态电致发光特性完全不同的机制。电流响应特性曲线由三部分组成:正向电流峰、稳态电流及反向电流峰;其中稳态电流对应器件正常工作时通过器件的电流;正向电流峰与反向电流峰是由空间电荷引起的,并且其峰值脉冲电压幅值呈线性关系;正向电流峰值小于反向电流峰值是由于金属电极与NPB的HOMO能级间的能级差引起。通过不同占空比的双脉冲电压驱动OLED器件研究发现,正向和反向电流峰分别对应于空间电荷的充放电过程;空穴电荷的电荷量及充电与放电的临界占空比受器件的空穴注入势垒的影响,而与器件的内部结构无关。  (4)利用Agilent B1500A半导体测试仪并结合瞬态电致发光响应特性、电流响应特性,以及模拟分析对OLED器件的电容-电压特性进行研究。研究发现在低压范围内的电容-电压曲线与器件内的电荷堆积及消耗相关,空间电荷所形成的电容与OLED器件未出现负电容之前的电容测试值相近,且其电容值固定。结合本论文中OLED器件瞬态电致发光响应特性以及交流小信号测试电容的原理对负电容出现机制作了试探性的讨论与分析,推测负电容的出现与OLED器件发光层内未能及时消耗的载流子迁移状态相关。
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