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摘 要
在全球能源短缺问题日益突出和人类不断挑战材料物理使用极限的背景下，白光有机发光二极管以其高性能、低能耗、绿色环保、低成本及可实现大面积柔性显示等诸多优点，被业界公认为是21世纪最具发展前景的高科技领域之一。一方面，它与彩色滤光片结合，可实现全彩色有源矩阵显示；另一方面，它本身就是一种理想的照明光源。因此，发展白光有机发光二极管，既对实现新一代先进显示技术和固体照明提供崭新途径，又对节约能源、带动传统材料发展和新型制造业升级具有巨大地推进作用。
其中，核心问题是如何获得高性能有机白光二极管器件。虽然这方面的研究目前已取得一定进展，但介于课题本身的多交叉和复杂性，综合性能良好（同时具有高效率和稳定优异的光谱表现）的白光器件仍鲜有报导，对器件工作机制的深入认识仍亟待解决。本论文正是基于这些科学问题展开研究，针对不同的材料体系，通过合理设计器件结构，逐步制备出一系列高性能白光有机发光器件。通过对器件工作机制的深入剖析，揭示出其实现高性能的内在原因，为进一步设计器件结构奠定基础。论文具体工作内容如下：
1. 通过合理设计器件结构，建立平行的通道实现单线态和三线态能量可以分别向荧光和磷光发光层中转移，引入空穴传输型中间层调节空穴和电子在发光层之间的分布从而调控器件整体发光颜色，实现磷光/荧光混合型互补色白光有机发光二极管，器件最大功率效率为24.9 lm/W，显色指数为56。
2. 通过引入掺杂型双极传输中间层调控电子、空穴分别在磷光与荧光发光区中的数量并稳定激子在发光层之间的迁移，扩大激子复合区域，平衡载流子在器件中的传输，从而同时实现高显色指数和高光谱稳定性的磷光/荧光混合型三基色白光有机发光二极管，器件最大功率效率为20.0 lm/W，显色指数为87。
3. 提出全磷光设计思想以全面吸收单线态和三线态激子能量，从互补色组合入手，制备出下列全磷光互补色白光有机发光二极管：1）mCP单一主体单发光层白光器件，最大功率效率为42.5 lm/W，显色指数为71；2）TCTA单一主体单发光层白光器件，最大功率效率为33.0 lm/W，显色指数为65；3）mCP单一主体双发光层白光器件，最大功率效率达到46.7 lm/W，显色指数为66；4）mCP单一主体叠层白光器件，最大功率效率和电流效率分别达到45.2 lm/W和110.9 cd/A。其中叠层器件的性能是目前有相关文献报导的最高值。
4. 通过合理架构红、绿、蓝三基色发光区位置，精确调控电荷和激子在发光区之间的传输行为，制备出一系列同时具有高光谱稳定性、高效率和高显色指数的全磷光三基色白光有机发光二极管。具体有：1）红-绿-蓝单一主体三发光层白光器件，其显色指数为85，最大功率效率为41.3 lm/W；2）红绿-蓝单一主体双发光层白光器件，其显色指数为80，最大功率效率为37.3 lm/W；3）利用远程阶梯式三线态能量传递实现了高性能白光器件，最大功率效率为36.8 lm/W。
关键词：白光有机发光二极管，磷光，高性能，机理，激子
目 录
摘 要 I
AbstracT III
第一章 文献综述 1
1.1 光度学和色度学基础知识 4
1.1.1 光度学基础知识 4
1.1.1.1 辐射通量 4
1.1.1.2 视见函数 5
1.1.1.3 光通量 5
1.1.1.4 发光强度 6
1.1.1.5 照度 6
1.1.1.6 亮度 6
1.1.2 色度学基础知识 7
1.1.2.1 感知多彩世界的武器-眼睛 7
1.1.2.2 三原色原理 7
1.1.2.3 白光 8
1.2 有机发光二极管简介 9
1.2.1 有机/聚合物发光二极管的基本结构 10
1.2.2 有机发光二极管基本工作原理 10
1.2.2.1 电极-有机半导体间的电接触 11
1.2.2.2 有机半导体中载流子的注入 12
1.2.2.3 有机半导体中载流子的传输 12
1.2.2.4 载流子在有机半导体中的复合衰减 15
1.2.3 评价有机发光器件性能的主要参数 16
1.2.3.1 器件效率 16
1.2.3.2 器件的稳定性和寿命 16
1.2.4 有机电致发光器件的辅助材料 17
1.2.4.1 有机半导体材料的电子结构 17
1.2.4.2 有机材料的载流子迁移率和能级 18
1.2.4.3 有机小分子空穴传输材料 19
1.2.4.4 有机小分子电子传输材料 20
1.2.5 有机发光染料 20
1.2.5.1 光物理中的单重态（S）与三重态（T） 21
1.2.5.2 吸收与发射，Franck Condon 原理 21
1.2.5.3 荧光（Fluorescence）与磷光（Phosphorescence） 23
1.2.5.4 激子 24
1.2.5.5 Förster和Dexter能量传递 25
1.2.5.6 有机荧光与磷光染料 28
1.3 白光有机发光二极管（WOLED） 29
1.3.1 WOLED的内在物理过程和实现方法 30
1.3.2 WOLED的研究进展 30
1.3.2.1 波长转换WOLED 30
1.3.2.2 多发光层结构WOLED 31
1.3.2.3 掺杂单发光层结构WOLED 35
1.3.2.4 叠层结构WOLED 37
1.3.2.5 本征单层结构WOLED 38
1.3.3 WOLED目前存在的问题及挑战 38
1.4 论文设计思想及研究内容 39
参考文献 45
第二章 磷光/荧光混合型互补色白光有机发光二极管 59
2.1 引言 59
2.2 实验部分 60
2.2.1 实验使用材料 60
2.2.2 器件制备工艺 62
2.2.2.1 ITO的表面处理 62
2.2.2.2 有机薄膜的制备 62
2.2.2.3 阴极的制备 63
2.2.3 测试仪器与测试条件 63
2.2.3.1 紫外-可见吸收光谱、激发谱与荧光光谱测量 63
2.2.3.2 磷光光谱测量与三线态能级 64
2.2.3.3 光致激发磷光寿命的测量 64
2.2.3.4 变温电致发光光谱的测量 64
2.2.3.5 有机发光器件的测试 64
2.2.3.6 真空镀膜机和旋涂仪 64
2.3 实验结果与讨论 64
2.3.1 磷光(PPQ)2Ir(acac)-荧光DAS-Ph互补色WOLEDs 64
2.3.1.1 设计思想 64
2.3.1.2 器件结构及器件性能 66
2.3.1.3 分析器件性能较低的原因 66
2.3.2 磷光Ir(Cz–CF3)-荧光DAS-Ph互补色WOLEDs 68
2.3.2.1 针对问题，改进器件结构 68
2.3.2.2 器件性能 68
2.3.2.3 高性能之内在原因 70
2.4 本章小结 77
参考文献 78
第三章 磷光/荧光混合型三基色白光有机发光二极管 81
3.1 引言 81
3.2实验部分 82
3.2.1 实验使用材料 82
3.2.2 器件制备及表征 82
3.3实验结果与讨论 83
3.3.1 红光磷光/NPB/蓝光荧光/绿光荧光结构之三基色WOLEDs 83
3.3.1.1 设计思想及器件结构 83
3.3.1.2 器件性能 84
3.3.1.3 器件工作机制分析及面临的问题 85
3.3.2 红光荧光/绿光磷光/TCTA:TPBi/蓝光荧光结构之三基色WOLEDs 87
3.3.2.1 针对问题-“四步走”改进器件结构 87
3.3.2.2 器件性能 88
3.3.2.3 双极传输中间层的作用与优点 91
3.3.2.4 进一步优化器件结构并提出挑战 94
3.3.3 红光磷光/绿光磷光/TCTA:TPBi/蓝光荧光结构之三基色WOLEDs 97
3.3.3.1 针对问题-改进器件结构 97
3.3.3.2 器件性能 97
3.3.3.3 揭示器件实现高光谱稳定性，及其效率随电压衰减的深层原因 99
3.4本章小结 104
参考文献 105
第四章 全磷光互补色白光有机发光二极管 107
4.1 引言 107
4.2 实验部分 107
4.2.1 实验使用材料 107
4.2.2 器件制备、表征及光物理测试方法 108
4.3 结果与讨论 109
4.3.1 mCP单发光层全磷光互补色白光有机发光二极管 109
4.3.1.1 设计思想及器件结构 109
4.3.1.2 器件性能 110
4.3.2 详细分析器件工作机制-揭示其实现高性能的深层原因 111
4.3.2.1 发光层主客体材料的光物理特性研究 111
4.3.2.2 器件的电学特性研究 114
4.3.2.3 mCP白光器件的工作原理-双通道捕获激子 119
4.3.2.4 器件的EL光谱随电压移动的深层原因 121
4.3.2.5 (fbi)2Ir(acac)分子直接捕获的空穴分数 123
4.3.3 TCTA单发光层全磷光互补色白光有机发光二极管 125
4.3.3.1 器件结构及性能 125
4.3.3.2 器件工作机制分析 126
4.3.4 mCP双发光层全磷光互补色白光有机发光二极管 129
4.3.4.1 设计思想及器件结构 129
4.3.4.2 器件性能 129
4.3.5 mCP叠层全磷光互补色白光有机发光二极管 131
4.3.5.1 叠层有机白光器件的基本结构与原理 131
4.3.5.2 mCP叠层白光器件的结构及性能 133
4.4 本章小结 135
参考文献 136
第五章 全磷光三基色白光有机发光二极管 139
5.1 引言 139
5.2 实验部分 140
5.2.1 实验使用材料 140
5.2.2 器件制备、表征及光物理测试方法 140
5.3 实验结果与讨论 141
5.3.1 红-绿-蓝（R-G-B）三发光层全磷光白光有机发光二极管 141
5.3.1.1 设计思想及器件结构 141
5.3.1.2 R-G-B白光器件性能 142
5.3.2 红绿-蓝（RG-B）双发光层全磷光白光有机发光二极管 143
5.3.2.1 设计思想及器件结构 143
5.3.2.2 RG-B白光器件性能 144
5.3.3 RG-B和R-G-B白光器件的工作机制分析 144
5.3.3.1 RG-B白光器件的工作机制分析 144
5.3.3.2 R-G-B白光器件的工作机制分析 149
5.3.4 延伸拓展—单主体全磷光白光器件体系 150
5.3.5 利用远程阶梯式三线态能量传递实现高性能白光有机发光二极管 153
5.3.5.1 设计思想，器件结构及性能 153
5.3.5.2 器件工作机制分析-阶梯式三线态能量传递 154
5.4 本章小结 161
参考文献 163
第六章 工作总结 165
致 谢 175
