奈米結構增強之有機電激發光二極體材料及元件研究

Abstract

本研究主要目的在於探討導入不同之奈米粒子於發光分子中，在有機發光二極體元件中之表現。藉由化學鍵結之方式與奈米粒子結合，並利用奈米粒子之特性來增進元件之效率。本研究依不同之奈米粒子分成三部份加以探討，第一部份為導入多面體矽氧烷之奈米粒子，第二部份則導入金奈米粒子，第三部份則導入硒化鎘/硫化鋅奈米晶粒。 第一部份合成出八種發光基單體，其中兩種為OPV衍生物的螢光分子(C-1 ~ C-2)；一種為銥錯合物的磷光分子(C-3) ; 五種為高分子(P1~P5)。相較於發光基單體，以POSS為中心核的星狀發光結構可以改善材料之熱性質，使熱穩定性增加，並降低分子鏈的移動。星狀發光材料的UV-PL光譜及電化學性質皆與發光基單體相似，並不會因POSS引入的影響而造成光色的偏移，且於不同媒介下，星狀材料之光色穩定度較發光單體佳。此外，由室溫~200℃的溫度下進行迴火(annealing)實驗，其研究結果顯示，星狀發光材料POSS1~POSS3及POSSP1~POSSP5之吸收及放射光譜皆明顯較發光單體C-1~C-3及P1~P5穩定。WAXD的結果顯示，中心核POSS之晶格結構因發光單體的引入而有些許改變(d-spacing變大)，不過星狀發光材料仍因含有POSS而具有奈米尺寸的晶格結構。 POSS1~POSS3屬於藍綠~黃綠的發光材料。由於其具有一定的成膜性，故可直接以旋轉塗佈的方式製成元件。將此星狀發光材料製成單層的有機電激發光元件，POSS 1、POSS 2混入PVK:PBD的元件亮度分別為1102 cd/m2及1468 cd/m2，效率接近1 cd/A；POSS 3以CPB為主體，LiF做為陰極修飾層，亮度可達1458 cd/m2。將POSS 3元件加入TPBI做為電洞阻擋層後，效率可增加至3.99 cd/A。此外，星狀發光材料之元件於不同電壓下皆仍維持穩定的EL光譜。而POSSP1~POSSP5亦由於含有POSS中心核，其亮度及效率皆有所提升。 第二部份則合成一含硫醇之發光單體(S-1)，並利用金奈米粒子含量之不同合成出Au-1及Au-2。利用FT-IR，NMR及TGA可確定發光單體已成功的鍵結於金奈米粒子上。實驗結果顯示其溶液狀態下最大吸收波長為431nm，最大放射波長為497nm，和發光單體相同。其螢光發光效率由0.32提升至0.47在Au-1及0.53在Au-2。 在元件之製作上，其元件架構為ITO/PEDOT/Au-n/Ca/Al，並分別製作發光分子摻混金奈米粒子及發光分子鍵結金奈米粒子兩種元件，在掺混元件中，發光基團選用不含硫醇基團但具有相同發光基團之C-2，避免不必要之化學反應，實驗中最好之掺混比例為1:0.0625(C-2:Au)，其亮度可到達1071 cd/m2，效率可到達0.67 cd/A。隨著掺混比例之增加，其效率反而降低。Au-1之最大亮度可提升至2010cd/m2，最大效率可提升至1.4cd/A，同樣隨著金奈米粒子導入量之增加，Au-2效率反而下降至0.39cd/A。而比較兩種元件，可發現發光分子鍵結金奈米粒子有較好之元件表現。 第三部份則合成三種含sulfide基團之發光高分子(S1PPV~S3PPV)，並利用ligand exchange來包覆CdSe/ZnS奈米晶粒。並利用FT-IR，GPC，TEM及TGA來確定發光分子已成功的包覆於CdSe/ZnS上。這些發光高分子之放射波長大約介於540~555nm間，且包覆上奈米晶粒後，其光色並沒有改變。測量其循環伏安計量，發現其能階亦同樣並不因奈米晶粒的導入而有所改變。 在元件之製作上，分別製作單純發光分子，發光分子摻混CdSe/ZnS奈米晶粒及發光分子包覆CdSe/ZnS奈米晶粒三種。在S1PPV之系列中，其最大亮度約為8285 cd/m2，最大效率為0.79 cd/A，在掺混CdSe/ZnS之元件中為8158 cd/m2，最大效率為0.86 cd/A。當包覆CdSe後，其最大亮度可增加為15960 cd/m2，最大效率為1.47cd/A。在S2PPV中，經由包覆CdSe/ZnS，亮度可由3225 cd/m2到達14470 cd/m2，效率可由0.95 cd/A到達1.85 cd/A。在S3PPV中亮度可由6073 cd/m2到達13390 cd/m2，效率可由0.82 cd/A到達2.25 cd/A。而比較三種元件，可發現利用包覆CdSe/ZnS之發光材料，可得到最好之元件表現。