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电致发光及原理

(2010-10-15 16:55:19)
标签:

电致发光

发光材料

电子和空穴

载流子

杂谈

分类: 电光

电致发光又称场致发光.电能直接转换为光能的一类发光现象,它包括结型电致发光和本征电致发光.前者指具有结型结构的半导体器件在电场作用下发生载流子注入时的发光,又叫载流子注入发光;后者指夹在两电极之间的发光材料在电场作用下发光.通常所说的电致发光往往指本征电致发光.它于1936年为德斯特里奥所发现,故又称德斯特里奥效应.本征电致发光的机制一般认为是在强电场作用下,电子的能量相应增大,直至远远超过热平衡状态下的电子能量而成为过热电子,这过热电子在运动过程中可以通过碰撞使晶格离化,形成电子、空穴对,也可以离乱或激发发光中心.当这些被离化的电子、空穴对复合或被激发的发光中心回到基态时便发出光来.电致发光材料以硫化锌系材料为主.加电场的方法有两种:一种是把发光材料分散在电介质中,叫做粉末电致发光;一种是把发光材料制成薄膜,称为薄膜电致发光.电致发光光谱因材料基质、激发剂、助溶剂及材料制备的灼烧条件而改变,温度和外加电压的频率对发光颜色也有显著影响.利用电致发光现象可制成电致发光屏,用于数字符号显示、特殊照相、象转换及象加强等.
   早在20 世纪初,虞瑟福就发现了SiC晶体在电场作用下的发光。电致发光作为一种平面光源,引起了人们的极大兴趣。人们企图实现照明光源从点光源、线光源到面光源的革命。自从无机发光板(硫化锌和磷砷化镓化合物)发明以来,电致发光已被广泛应用在许多领域,取得了令人瞩目的成就。但直到50 年代,将硫化锌和有机介质涂敷在透明导电玻璃上,再做上第二电极,加上交流电压,才实现稳定的电致发光。人们逐渐把目光投向了性能更为优良的新一代平板显示器件,工艺更简单的新型有机电致发光器件(OLED)。

1. 电致发光材料
从发光材料角度,可将电致发光分为无机电致发光和有机电致发光。无机电致发光材料一般为等半导体材料。有机电致发光材料依据有机发光材料的分子量的不同
可以区分为小分子和高分子两大类。小分子OLED材料以有机染料或颜料为发光材料,高分子OLED材料以共轭或者非共轭高分子(聚合物)为发光材料,典型的高分子发光材料为PPV及其衍生物。
有机电致发光材料依据在OLED器件中的功能及器件结构的不同,又可以区分为空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、发光层(EML)、电子传输层(ETL)、电子注入层(EIL)等材料。其中有些发光材料本身具有空穴传输层或者电子传输层的功能,这样的发光材料也通常被称为主发光体;发光材料层中少量掺杂的有机荧光或者磷光染料可以接受来自主发光体的能量转移和经由载流子捕获(carriertrap)的机制而发出不同颜色的光,这样的掺杂发光材料通常也称为客发光体或者掺杂发光体,英文用“Dopant”表示。从发光原理角度,电致发光可以分为高场电致发光和低场电致发光。
    2. 电致发光的原理和器件结构
    从发光原理电致发光可以分为高场电致发光和低场电致发光。高场电致发光是一种体内发光效应。发光材料是一种半导体化合物,掺杂适当的杂质引进发光中心或形成某种介电状态。当它与电极或其他介质接触时,其势垒处于反向时,来自电极或界面态的电子,进人发光材料的高场区,被加速并成为过热电子。它可以碰撞发光中心使之被激发或被离化,或者离化晶格等。再通过一系列的能量输运过程,电子从激发态回到基态而发光。低场电致发光又称为注人式发光,主要是指半导体发光二极管(LED)。1960 年人们发现GaAs的p-n结二极管,在正向偏压下,发生少数载流子注入,并在p-n结附近,两种载流子发生复合而发光。由于这种半导体材料禁带较窄,发出的是红外光。随后,利用这一原理,不断开拓较宽禁带的半导体材料GaP,GaInP,GaAlAs,GaN等等,陆续研制成红色、黄色、绿色和蓝色的发光二极管。近年来,在电致发光领域,有机薄膜电致发光异军突起。一般认为,有机电致薄膜发光过程由以下5 个步骤:
(1) 载流子的注入。在外加电场的作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入。电子从阴极注入到有机物的最低未占据分子轨道(LUMO ),而空穴从阳极注入到有机物的最高占据分子轨道(HOMO) 。
(2) 载流子的迁移。注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。
(3) 载流子的复合。电子和空穴结合产生激子。
(4) 激子的迁移。激子在有机固体薄膜中不断地作自由扩散运动,并以辐射或无辐射的方式失活。
(5) 电致发光。当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到基态,就可以观察到电致发光现象,发射光的颜色是由激发态到基态的能级差所决定的。
    电致发光器件的基本结构属于夹层式结构,激发光层被两侧电极像三明治一样夹在中间,一侧为透明电极以便获得面发光。由于阳极功函数高可以提高空穴注入效率,所以一般使用的阳极多为氧化铟-氧化锡(ITO)。在ITO上再用蒸发蒸镀法或旋转涂层法制备单层或多层膜,膜上面是金属阴电极,由于金属的电子逸出功影响电子的注入效率,因此要求其功函数尽可能低。现以目前研究较多较热的有机电致发光器件为例进行说明
大多数有机电致发光材料是单极性的,同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少,一般只具有传输空穴的性质或传输电子的性质。为了增加空穴和电子的复合几率,提高器件的效率和寿命,OLED的结构从简单的单层器件发展到双层器件、3 层器件甚至多层器件。因为采用这种单极性的有机物作为单层器件的发光机材料,会使电子与空穴的复合自然地靠近某一电极,当复合区越靠近这一电极,就越容易被该电极所淬灭,而这种淬灭有损
于有机物的有效发光,从而使OLED发光效率降低。而采用双层、3 层甚至多层结构的OLED,能充分发挥各功能层的作用,调节空穴和电子注入到发光层的速率,只有使注入的电子和空穴在发光层复合,才能提高器件的发光效率。由于大多数有机物具有绝缘性,只有在很高的电场强度下才能使载流子从一个分子流向另一个分子,所以有机膜的总厚度不能超过几百纳米,否则器件的驱动电压太高,会失去LED的实际应用价值。
     3 应用前景
   电致发光EL显示的特点是主动发光冷光源,面发光且亮度均匀无光斑,功耗小,寿命长(大于5000h),工作温度范围宽(-40~+70℃),超薄,可根据要求任意剪裁形状和尺寸,其抗冲击性、抗震动性好。EL电致发光屏广泛用于LCD模块、手提电话、IC卡电话机、磁卡电话、电池供电的显示屏、BP机、手表、汽车仪表板、音响及电视遥控器,手持GPS接收器、便携式计算机等的主动显示或背光显示中。随着技术的发展,点阵式模块的出现,EL大屏幕显示显像会迅速发展,在广告业、交通枢纽、会务显示等方面大显身手。

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