变色有机电致发光器件的研究进展_董豪杰.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：6778变色有机电致发光器件的研究进展董豪杰1,3,徐汀1,2*,崔吉祥1,2（1.深圳信息职业技术学院信息技术研究所，广东 深圳 518000；2.北京大学深圳研究生院新材料学院，广东省柔性光电材料与器件重点实验室，广东 深圳 518000；3.陕西科技大学电气与控制工程学院，陕西 西安 710016）摘要：碳基有机半导体光电器件易于从分子层级进行调控设计，近年来有机电致发光器件已逐步实现产业化。变色有机电致发光器件是指在单个或单种器件内实现多个色彩或色温变化的发光器件，使得单个像素点结构实现色彩或色温可调的功能，从而简化单个显示单元，是一种高分辨率的显示技术。依据变色原理的不同，变色有机电致发光器件分为器件结构变色、单发光层材料变色、外加驱动方式 3个类别。对该领域最新研究进展、性能优势和发展现状进行了综述，进而探讨了变色有机电致发光器件存在的问题和发展趋势，拓展了研究思路，对推动变色有机电致发光器件的发展与应用具有指导作用。关键词：柔性电子；有机发光二极管；色彩和色温中图分类号：O59文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0067-12引文格式：董豪杰，徐汀，崔吉祥.变色有机电致发光器件的研究进展 J.材料研究与应用，2023，17（1）：67-78.DONG Haojie，XU Ting，CUI Jixiang.Progress in the Study of Color Tunable Organic Light Emitting DiodeJ.Materials Research and Application，2023，17（1）：67-78.有机发光二极管（OLED）是新一代健康照明和高清晰度、高色域新型显示元器件，具有高效节能、大面积面光源、与柔性基底兼容等特点。相较传统硅基发光二极管（LED）光源，OLED 有很大优势，其既可改善光谱从而避免蓝光危害，又可采用新颖分子材料优化色域，使得发光光谱色彩鲜亮逼真。目前，OLED 已应用在健康照明和高色纯度显示领域中，在显示应用方面更可作为一种便携和可折叠拉伸的新型可穿戴电子产品，应用价值巨大。在最10年的时间里，OLED 光电器件在固态照明和平板显示市场中始终有一席之地，并且有替代现有产品的趋势1-5。自从第一个高效的 OLED 由邓青云院士6-8在十九世纪八十年代发明以来，已经有了巨大的发展。例如：OLED 器件的内量子效率通过磷光材料（由贵金属元素铱和铂等贵金属过渡金属配合物构成）和热活化延迟荧光（TADF）材料的应用已经达到 100%3，9-10；白光 OLED（WOLED）也可以用真空中物理气相沉积或者溶液法的制备，白光是通过互补色双发光层或者 RGB 三基色三发光层得以实现11-13。尽管如此，基于有机电致发光器件的产品价格依然非常昂贵，对于市场上的大部分消费者而言承担不起。因此，简化器件结构14-17、制备工艺10，18-20及降低 OLED 器件产品的制造成本，以此扩大产品市场占有率势在必行21。相对色温 Correlated Color Temperature（CCT），在设计白光有机发光二极管（WOLED）时，是一个十分重要的概念，关乎人对色彩的心理感受。暖光是指低色温的光源，它的特征是红辐射相对较多、能量分布相对集中；冷光的色温及蓝光辐射比例较高，冷白光使人情绪上清醒和警觉，暖白光使人感到心情放松和舒适22-24。新型变色有机发光二极管特点、分类及其应用如图1所示。收稿日期：2022-05-31基金项目：深圳市高校稳定支持面上项目（20220730000151002）；校博士启动项目（SZIIT2022KJ025）；新型光电子元器件的研发与测试项目（HX-0534）；太阳光模拟器 LED 光源模块开发项目（HX-0546）；校级项目-联合培养研究生专项项目（LHPY-2022034）；深圳市博士后留深资助项目；深圳市海外高层次人才孔雀计划科研启动项目作者简介：董豪杰（1996-），男，江苏太仓人，硕士研究生，研究方向为有机光电子器件、工艺、物理机制，E-mail：。通信作者：徐汀（1987-），男，云南昆明人，副研究员，从事有机光电子器件、工艺、物理机制研究，E-mail：xuting_。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.0001082 0 2 3材料研究与应用有机发光二极管是一种由多层功能薄膜构成的新型电致发光器件，而广义的变色有机发光二极管是在单个或单种有机发光二极管中实现色彩变化功能的新型有机发光二极管。作为在单个或单种器件内实现多个色彩或色温变化的一种有机电致发光器件，变色有机发光二极管能简化器件结构和实现色彩或色温可调。变色有机发光二极管分为器件结构变色、材料变色、外加驱动方式变色，本文将详细综述 3类器件结构的发展及最新研究进展。1器件结构变色1996 年，由美国普林斯顿大学的 Forrest 课题组25提出 OLED 器件实现变色功能及颜色可调器件的概念，即 Color Tunable Organic Light Emitting Diodes（CT-OLEDs）。他们把两个互补色 OLED 器件，即在一个蓝光OLED和一个红光OLED中用一层镁银电极级联并接地，再由两个电压分别驱动两个互补色器件，利用驱动电压的变化实现了单个 OLED器件的变色功能，该器件实现了单个器件从蓝光到红光的切换，展现出在照明和显示器件中的巨大潜力，开辟出 CT-OLED 器件的应用新领域。于 1997年，Forrest组26又将变色器件拓展至三基色 OLED级联，实现了三基色和白色器件的切换和调控，这种基元光电器件如果用于显示领域中，将会使得原来的像素点尺寸最小化及分辨率最大化，在高清显示领域有巨大的应用前景。普林斯顿大学 Forrest 组发明的颜色可调有机电致发光器件如图 2所示25-26。法布里-罗布（Fabry-Perot cavity theory）光学微腔是调控光电场的有效手段，其可以使得光谱变窄和在一定范围内可以调节，同时也利于提高 OLED外量子效率，是进行光提取的一种重要手段。光学微腔的实现需要提高两个电极反射率，其中一个电极反射率需接近 100%，另外一侧可观察光学微腔效应，有窄化光谱使光强变强的效果。加拿大多伦多大学吕正红教授课题组27采用法布里-罗布微腔效应，实现了同样材料结构的 CT-OLED 器件，器件结构如图 3所示。该研究所用器件为易于实现微腔的顶发射，在 ITO 玻璃作为阳极的一侧蒸镀金属所用器件阴极采用复合电极 LiF（0.5 nm）/Al（3 nm）/图 1新型变色有机发光二极管特点、分类及其应用Figure 1Schematic of characteristics，classification and application of novel color tunable organic light-emitting diodes图 2普林斯顿大学 Forrest组发明的颜色可调有机电致发光器件结构和 CIE1931色坐标变化25-26Figure 2Color tunable organic electroluminescent device structure developed by Princeton University Forrest GroupAg（30 nm）结构，该复合电极拥有良好的光电特性，在顶发射电极 Al作为阴极的一侧采用新型含有富勒烯 TPD/Alq3/C60多个有机材料薄膜复合结构作为电子传输层，实现光电场的调控结构，使用绿光材料 TPD/Alq3作为发光层，通过器件膜的厚度调节实现发出蓝光、绿光、红光，器件亮度普遍超过1000 cdm2，最高器件亮度接近 10 000 cdm2。在法布里-罗布光学微腔的基础上，在全反射的电极一侧加入不同间距的光栅结构，可以对 OLED器件内光电场实现进一步的光调控，器件结构如图4所示。韩国电子电信研究所研究者及其合作者德国德累斯顿工业大学 Karl Leo教授28设计出基于微腔、金属光栅结构的色温可调白光 CT-OLED 器件结构和光栅结构，该结构可以很好的利用光学微腔和光栅间隔尺寸的变化实现冷暖白光的变化，白光可以从 3000 K 到 8000 K 色温的变化，实现如图 5所示光谱和 CIE变化的效果。图 3多伦多大学吕正红教授课题组采用法布里-罗布微腔效应实现同样材料和结构的器件红光，绿光，蓝光的连续调控27Figure 3The Fabry-Perot microcavity effect was used to control the red，green and blue light of devices with the same material and structure by Lu Group图 4韩国电子电信研究所研究者及其合作者德国德累斯顿工业大学 Karl Leo教授所设计基于微腔和金属光栅结构的色温可调白光 CT-OLED器件结构和光栅结构28Figure 4The CT-OLED device structure and grating structure based on micro-cavity and metal grating structure were designed by the researcher of electronics and telecommunications research institute of Korea and his collaborator professor Karl Leo of Technische Univer-sitat Dresden in Germany68第 17 卷 第 1 期董豪杰等：变色有机电致发光器件的研究进展Ag（30 nm）结构，该复合电极拥有良好的光电特性，在顶发射电极 Al作为阴极的一侧采用新型含有富勒烯 TPD/Alq3/C60多个有机材料薄膜复合结构作为电子传输层，实现光电场的调控结构，使用绿光材料 TPD/Alq3作为发光层，通过器件膜的厚度调节实现发出蓝光、绿光、红光，器件亮度普遍超过1000 cdm2，最高器件亮度接近 10 000 cdm2。在法布里-罗布光学微腔的基础上，在全反射的电极一侧加入不同间距的光栅结构，可以对 OLED器件内光电场实现进一步的光调控，器件结构如图4所示。韩国电子电信研究所研究者及其合作者德国德累斯顿工业大学 Karl Leo教授28设计出基于微腔、金属光栅结构的色温可调白光 CT-OLED 器件结构和光栅结构，该结构可以很好的利用光学微腔和光栅间隔尺寸的变化实现冷暖白光的变化，白光可以从 3000 K 到 8000 K 色温的变化，实现如图 5所示光谱和 CIE变化的效果。图 3多伦多大学吕正红教授课题组采用法布里-罗布微腔效应实现同样材料和结构的器件红光，绿光，蓝光的连续调控27Figure 3The Fabry-Perot microcavity effect was used to control the red，green and blue light of devices with the same material and structure by Lu Group图 4韩国电子电信研究所研究者及其合作者德国德累斯顿工业大学 Karl Leo教授所设计基于微腔和金属光栅结构的色温可调白光 CT-OLED器件结构和光栅结构28Figure 4The CT-OLED device structure and grating structure based on micro-cavity and metal grating structure were designed by the researcher of el