千葉大學(xué)開發(fā)出一種提升OLED顯示器壽命和發(fā)光效率的方法

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，最近，千葉大學(xué)研究生院的宮前孝行教授和鏑城龍也博士等人組成的研究小組，開發(fā)了一種針對(duì)OLED等有機(jī)電致發(fā)光器件，在施加電壓驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下，檢測器件內(nèi)部電位分布狀態(tài)的一種完全新的測量手法。據(jù)了解，通過使用該方法檢測不同構(gòu)成的有機(jī)電致發(fā)光器件，研究人員能夠了解這些有機(jī)電致發(fā)光器件內(nèi)部一些超薄有機(jī)層的狀態(tài)信息，使它能夠通過優(yōu)化器件內(nèi)部原本產(chǎn)生的電位狀態(tài)，提高這些器件的發(fā)光效率和壽命。

根據(jù)這個(gè)測量法，研究人員解釋了這種延長下一代有機(jī)電致發(fā)光器件壽命的動(dòng)作機(jī)制，顯然該方案為市場和學(xué)術(shù)界打開了進(jìn)一步降低有機(jī)電致發(fā)光器件功耗和成本的必要的新材料開發(fā)可能。另外，把這些新材料用于實(shí)際的元件時(shí)獲得的電荷輸送特性，有望能夠幫助我們更好地從分子層面理解電致發(fā)光器件的工作機(jī)制。

本研究成果于2025年3月10日刊登在英國學(xué)術(shù)雜志Journal of Materials Chemistry C上。

研究背景

眾所周知，以O(shè)LED為典型的有機(jī)電致發(fā)光器件，已經(jīng)廣泛用于一些超薄電視和智能手機(jī)等的顯示器上。這些有機(jī)電致發(fā)光器件通常使用了一種包括電子和空穴傳輸層、電子和空穴阻擋層以及發(fā)光層在內(nèi)的多層結(jié)構(gòu)，其中，用于傳輸和阻擋電子和空穴的功能層將電子和空穴以盡可能高的效率傳送到發(fā)光層中，發(fā)光層基于此實(shí)現(xiàn)電致發(fā)光。通常，這些功能層和發(fā)光層的厚度都非常薄，可能只有幾百納米，所以這些發(fā)光器件也非常適合用來制作一些柔性和“彎曲”的特殊顯示器。

為了讓這些有機(jī)電致發(fā)光器件進(jìn)一步高功能化、節(jié)能化，理論上必須讓注入的電荷有效地到達(dá)發(fā)光層，并使其復(fù)合。為此，研究和設(shè)計(jì)人員必須要能夠在實(shí)際的器件層面，詳細(xì)地理解這些有機(jī)材料內(nèi)部和不同的有機(jī)層界面的電荷的生成和輸送行為。不過，一直以來，真正了解有機(jī)電致發(fā)光元件內(nèi)部電荷的各種行為，并不是一件容易的事情。因此，尋找一種非破壞性的手段來研究有機(jī)電致發(fā)光器件內(nèi)部有機(jī)層中電荷的生成和輸送行為的方法和技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。

圖1. 研究人員所開發(fā)全新的ESFG分光裝置的示意圖

研究成果

一直以來，研究人員將和頻振動(dòng)光譜法（SFG光譜法，Sum frequency generation）作為選擇性測量和評(píng)估材料表面及界面分子信息的方法，它能夠推進(jìn)人們對(duì)有機(jī)物界面的評(píng)估與分析技術(shù)的研究。當(dāng)樣品中存在電場時(shí)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種被稱為 “電場誘導(dǎo)效應(yīng)” 的效果，即根據(jù)電場強(qiáng)度，所得到的 SFG 信號(hào)強(qiáng)度會(huì)增加。通過利用這種電場誘導(dǎo)效應(yīng)，研究人員在驅(qū)動(dòng)有機(jī)電致發(fā)光器件時(shí)，就能夠以高靈敏度選擇性地研究器件內(nèi)部存在的電荷信息。

在這項(xiàng)研究中，研究人員進(jìn)一步改進(jìn)了現(xiàn)有的SFG光譜儀，進(jìn)而開發(fā)了一種新的技術(shù)。如圖1所示，這種方法能夠讓生成“電子和頻率產(chǎn)生光譜（ESFG光譜）”成為可能，也就是說，研究人員能夠利用這種新的方法獲得界面處的電子光譜。據(jù)介紹，通過向有機(jī)電致發(fā)光器件上照射可以自由改變波長的可見光和近紅外光，研究人員可以選擇性地取得物質(zhì)界面的紫外可見吸收光譜。不僅如此，在如上樣品器件中施加電場時(shí)，研究人員能夠利用該電場的大小和方向信號(hào)強(qiáng)度的變化，以實(shí)現(xiàn)特定的“電場誘導(dǎo)效果”，這樣就可以實(shí)時(shí)測量、分析以具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光器件為主要對(duì)象的器件內(nèi)部電荷移動(dòng)狀態(tài)。

首先，以具有如下圖 2 所示結(jié)構(gòu)的有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED1）作為測量樣品，通過改變構(gòu)成該器件的材料，制作出三種不同的有機(jī)電致發(fā)光二極管：一種是電流 - 電壓特性差異較小的器件（OLED2），以及一種與 OLED1 電流 - 電壓特性差異較大的器件（OLED3）。研究人員對(duì)這三種器件分別測量其電場誘導(dǎo)和頻產(chǎn)生光譜（ESFG）的電壓響應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，OLED1 和 OLED2 內(nèi)部的電位分布不同，而 OLED2 的內(nèi)部電位分布與電流 - 電壓特性較低的 OLED3 相近。OLED2 和 OLED3 共同的特點(diǎn)是在發(fā)光層和電子傳輸層之間插入了一種名為 BAlq（圖 2 右上方，紅色圓圈標(biāo)記的分子）的有機(jī)物。實(shí)際上，使用這種 BAlq 的器件，其特點(diǎn)就是器件的亮度壽命會(huì)變長。通過在有機(jī)電致發(fā)光二極管中添加這個(gè) BAlq 層，研究人員了解到器件內(nèi)部，尤其是施加在空穴傳輸層上的電位分布狀態(tài)的變化情況，實(shí)際上，各有機(jī)層的電位平衡也改變了。

圖2. OLED1元件的疊層構(gòu)成和使用的有機(jī)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)

此外，研究人員還通過ESFG分析發(fā)現(xiàn)，在 OLED1 中，注入的電荷在發(fā)光層與作為空穴傳輸層的 NPD 層的界面處復(fù)合并發(fā)光（如圖 3 上部分），而在插入了 BAlq 的電致發(fā)光器件中，空穴能夠到達(dá)發(fā)光層 和 BAlq 的界面，可以看出，此時(shí)的電致發(fā)光器件的發(fā)光界面發(fā)生了移動(dòng)（如圖 3 下部分）。研究人員在 OLED1 中觀察到，由于效率滾降導(dǎo)致了電致發(fā)光器件發(fā)光效的率降低，而在插入了 BAlq 的 OLED2 和 OLED3 中則沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，特別是在 OLED2 中，高亮度區(qū)域的電流效率甚至比 OLED1 更高。可以看出，要降低電致發(fā)光器件的效率滾降，改變發(fā)光位置是一種有效的手段。

另一方面，通過插入 BAlq層，構(gòu)成電致發(fā)光器件的各個(gè)有機(jī)層所分擔(dān)的電位平衡也發(fā)生了變化，其中，發(fā)光層中電致發(fā)光的位置也改變了。由此可以看出，增加BAlq層，極端偏置的電荷局域化現(xiàn)象得到消除，所以效率滾降得以降低，結(jié)果是在顯示高亮度的區(qū)域中，電流效率得到了提升，這一新發(fā)現(xiàn)揭示了一種器件發(fā)光效率提高的機(jī)制。另外，使用 BAlq 還能夠消除界面處過度的電荷集中，這也能夠合理地解釋器件壽命延長的機(jī)制，即通過這種方式器件的壽命得以延長。

圖3. OLED1和OLED2中電荷移動(dòng)的概念圖

展望

通過本研究發(fā)現(xiàn)，在堆疊有機(jī)材料時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過適當(dāng)選擇材料，可以控制器件內(nèi)部各有機(jī)層的電位平衡。在以O(shè)LED為典型的各種有機(jī)器件中，不僅材料開發(fā)很重要，器件設(shè)計(jì)也已成為一個(gè)提升性能的非常關(guān)鍵的因素。

本研究的成果為器件設(shè)計(jì)新提供了一種能夠使用實(shí)際器件進(jìn)行性能評(píng)估的方法，有望在未來應(yīng)用于提高有機(jī)器件的性能，以及分析因長時(shí)間驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)致器件劣化的原因。此外，該方法不僅局限于OLED，它還能用來通過界面設(shè)計(jì)提高有機(jī)太陽能電池等器件，也學(xué)在未來還有更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.?OLED產(chǎn)品分類

2.?OLED基本結(jié)構(gòu)

3.?OLED發(fā)光原理

4.?OLED發(fā)展歷程

1.?AMOLED顯示面板整體材料結(jié)構(gòu)分析

2.?AMOLED顯示面板制造生產(chǎn)工藝流程分析

1.?2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場需求分析

1.1?智能手機(jī)

1.2?筆記本電腦

1.3?車載顯示

1.4?可穿戴

1.5?其他

2.?2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場供應(yīng)分析

3.?全球AMOLED顯示面板重點(diǎn)企業(yè)分析

3.1?三星顯示SDC

3.2?樂金顯示LGD

3.3?京東方BOE

3.4 TCL華星CSOT

3.5?天馬集團(tuán)Tianma

3.6?維信諾Visonox

3.7?和輝光電Everdisplay

3.8?信利Truly

3.9?友達(dá)光電AUO

3.10?日本顯示器JDI

3.11?夏普Sharp

1.?全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料市場規(guī)模分析

1.1?2018-2025年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料市場規(guī)模預(yù)測

1.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商出貨量排名

1.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商營收規(guī)模排名

2.?2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場規(guī)模預(yù)測

2.1?2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場規(guī)模預(yù)測

2.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商出貨量排名

2.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商營收規(guī)模排名

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1.?中國AMOLED發(fā)光層材料廠商市場規(guī)模分析

1.2 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商出貨量排名

1.3 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商營收規(guī)模排名

2.?中國AMOLED共通層材料廠商市場規(guī)模分析

2.2 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商出貨量排名

2.3 2019-2020年中國中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商營收規(guī)模排名

3.?中國AMOLED顯示材料供應(yīng)商市場競爭格局分析（司南理論分析模型框架）

3.1?市場滲透力分析

3.2?產(chǎn)品競爭力分析

3.3?技術(shù)延展力分析

3.4?資源整合力分析

3.5?綜合運(yùn)營力分析

1.?華東地區(qū)

2.?華北地區(qū)

3.?華中地區(qū)

4.?華南地區(qū)

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