高温环境下有机薄膜和器件的失效机制研究

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有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)凭借其轻薄、柔性、色彩对比度高、响应速度快等优点,在全彩显示和照明方面应用潜力巨大并受到人们的广泛关注。迄今为止,OLED光源在商业上已经应用于手机、电脑等电子设备。但是,OLED存在高温下容易失效的短板,限制了其在汽车尾灯等室外环境中的应用。OLED结构中大部分为有机材料,在高温下玻璃化转变温度(Glass Transition Temperature,Tg)较低的有机材料会发生结晶,其载流子迁移率和薄膜形貌都会发生变化。这将导致器件内部载流子传输不平衡,不利于OLED在高温下稳定工作。因此,研究高温环境下有机薄膜和器件的失效机制,对于改善OLED的高温稳定性具有指导意义。为了深入了解OLED的高温失效机制,本文首先研究了高温对载流子传输材料光电特性的影响。低Tg的传输材料NPB(N,N’-bis(naphthalen-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)-benzidine)和Tm Py PB(1,3,5-tri[(3-pyridyl)-phen-3-yl]benzene)在低于Tg一定温度的退火后薄膜粗糙度增加;当退火温度超过Tg时,薄膜结晶使薄膜表面变得平整。NPB和Tm Py PB薄膜的光致发光光谱(Photoluminescence,PL)的强度随着退火温度的升高而下降。这是因为高温会导致低Tg材料结晶,使激子在晶体薄膜中迁移距离更远,激子非辐射跃迁几率进一步增加,导致PL谱强度大大降低,并且其电学特性在高温条件下也变得不稳定。而高Tg的HAT-CN(dipyrazino[2,3-f:2’,3’-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile)在高温退火后光电特性未发生明显变化。因此,本文通过掺杂高Tg有机材料以及无机碱金属化合物来提高低Tg材料电学稳定性。实验结果表明,以NPB掺杂Mo O3薄膜制备的单载流子器件的电流强度在高温下非常稳定。通过理论计算证明了将不同分子量的材料进行掺杂时,掺杂材料会通过振动吸收薄膜所受的热量,吸收热量的大小与两种材料的分子量成反比。因此,分子量较大的有机材料受热量损害降低,提高了复合薄膜稳定性。这为未来通过掺杂提高薄膜的热稳定性提供了指导性意见。其次,本文合成了一种热稳定性良好的深蓝光材料——TPA-BN(4,5′-di-{[N,N,N′,N′-tetrakis-(4-tert-butyl-phenyl)]phenyl-1′′,4′′′-diamine}-1,1′-binaphthalenyl)。其能级能够很好地与载流子传输层匹配,有助于激子在发光层复合。通过热重分析和差示扫描量热法测试其热力学特性,反映出材料高的熔点(Tm)和分解温度(Td),并且没有明显的Tg。在对TPA-BN薄膜进行不同高温退火后,薄膜表面形貌粗糙度保持稳定,薄膜的紫外吸收和PL谱强度未发生明显变化。这表明了TPA-BN具有良好的成膜性,可形成高形态稳定性的均匀无定形膜。为了研究其电致发光性能,制备了基于不同TPA-BN掺杂比例的深蓝光OLED。其中,非掺杂器件最大电流效率为3.2 cd A-1,外量子效率最大为4.5%。最后,本文研究了高温对OLED性能及寿命的影响。实验结果表明,高温退火会使OLED的器件性能及寿命严重下降。针对上述现象,本章采用前文研究内容,对器件的空穴和电子传输层进行掺杂优化,制备了具有高温稳定性的OLED,并测试其高温退火后的器件性能以及寿命曲线。实验表明,优化后器件在80℃退火后寿命最长达208 h,最大电流效率仅下降12%。相比之下,优化后器件的热稳定性得到了大幅度提升。这归功于对载流子传输层的掺杂有效的降低了层间的界面势垒,减少了因高温而导致的界面电荷累积现象,避免器件在高温退火后形成较大的漏电流。同时,通过无机物掺杂避免了低Tg材料的结晶,从而改善了器件的性能及寿命。
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