功能高分子化學 課件 電致發(fā)光材料及器件

功能高分子電致發(fā)光材料及器件功能高分子材料作為電致發(fā)光材料在顯示器、照明等領域中扮演著重要角色。通過對聚合物結構的精準設計,可實現(xiàn)出色的發(fā)光性能,并可廣泛應用于柔性顯示、可穿戴設備等前沿技術中。導論電致發(fā)光材料及器件是功能高分子化學中一個重要的研究領域。它涉及發(fā)光機理、材料結構、器件構造等多個方面的知識。通過系統(tǒng)地學習這些內容，可以深入理解電致發(fā)光技術的發(fā)展歷程、應用現(xiàn)狀和未來趨勢。發(fā)光的基本概念發(fā)光的定義發(fā)光是指物質在外界作用下產(chǎn)生光輻射的現(xiàn)象。這包括了熱發(fā)光、電致發(fā)光、化學發(fā)光等多種形式。發(fā)光機理發(fā)光是由于物質內部電子躍遷過程中釆取能量并以光子形式釋放出來而產(chǎn)生的。這個過程非常復雜,需要考慮多種因素。發(fā)光特性發(fā)光物質的發(fā)光特性包括發(fā)光強度、發(fā)光頻率、發(fā)光效率等,這些特性可以用于分析物質的組成和結構。發(fā)光機理1光激發(fā)當電致發(fā)光材料吸收光能后,電子會躍遷到更高的能量態(tài),產(chǎn)生激發(fā)態(tài)。2電荷注入通過施加電壓,正負載流子會被注入到發(fā)光材料中,并在材料內復合。3輻射復合正負載流子在發(fā)光材料中結合,電子從高能態(tài)跌落到低能態(tài),釋放光子。電致發(fā)光材料小分子電致發(fā)光材料小分子電致發(fā)光材料具有分子結構簡單、制備工藝成熟、發(fā)光性能優(yōu)良等優(yōu)點。廣泛應用于OLED顯示和照明領域。聚合物電致發(fā)光材料聚合物電致發(fā)光材料具有良好的加工性、可大面積制備等優(yōu)勢?？捎糜谌嵝院涂衫祜@示器件的制造。發(fā)光機理研究電致發(fā)光材料的發(fā)光機理涉及光激發(fā)、載流子注入、復合等過程,需要深入的光物理和電學性質研究。小分子電致發(fā)光材料金屬有機配合物金屬有機配合物如銥、鉑、鋁等配合物具有優(yōu)異的電致發(fā)光性能。它們能夠實現(xiàn)高效的載流子注入和復合,并有效抑制激子淬滅。芳香族化合物芳香族化合物如荎、吩噁嗪、咔唑等擁有良好的熱穩(wěn)定性和電化學性能,可用于制備高性能的電致發(fā)光器件。共軛小分子共軛結構小分子如苯并噻吩、萘二酰亞胺等具有優(yōu)異的電子傳輸和發(fā)光性能?？蓡为毣驌诫s使用,制備出色的電致發(fā)光材料。聚合物電致發(fā)光材料高度可塑性聚合物電致發(fā)光材料可通過化學合成以及分子設計進行結構和性能的優(yōu)化調控。良好加工性能聚合物材料可采用溶液法、噴墨打印等低成本的制備工藝制備器件。高色純度通過合理分子設計可獲得高飽和度和高色純度的發(fā)光顏色。高發(fā)光效率部分共軛聚合物可實現(xiàn)100%的內量子效率,發(fā)光性能優(yōu)異。電致發(fā)光器件構造單層結構由一個發(fā)光層組成,發(fā)光層既負責發(fā)光,也負責載流子注入和傳輸。結構簡單,制備容易,但性能一般。雙層結構由一個發(fā)光層和一個電子/空穴傳輸層組成,能夠更好地平衡載流子注入和復合,提高發(fā)光性能。多層結構在雙層基礎上增加電子/空穴注入層,能更好地注入和傳輸載流子,進一步提高發(fā)光效率。單層結構簡單有效單層OLED結構只包含一層發(fā)光層，制造簡單、成本較低，是最基本的OLED器件結構。發(fā)光層兼具電子注入、運輸和發(fā)光功能?；倦姌O配置典型的單層OLED由陽極、發(fā)光層和陰極三層組成。陽極為透明導電電極,陰極為金屬電極,中間的發(fā)光層負責電致發(fā)光。工作機制簡單當施加電壓時,電子從陰極注入發(fā)光層,空穴從陽極注入發(fā)光層,二者在發(fā)光層內復合產(chǎn)生光子,實現(xiàn)發(fā)光。整個過程簡單高效。雙層結構電子注入層負責將電子注入發(fā)光層并平衡電子-空穴復合。提高注入效率?？昭ㄗ⑷雽迂撠煂⒖昭ㄗ⑷氚l(fā)光層并平衡電子-空穴復合。提高注入效率。發(fā)光層負責發(fā)出所需波長的光輻射。選擇合適的材料以實現(xiàn)高效發(fā)光。多層結構復雜結構多層OLED器件由多個不同功能層有序堆疊而成,包括陽極、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層和陰極等。這種多層結構可以優(yōu)化器件性能,提高發(fā)光效率和壽命。層間協(xié)同作用各功能層之間存在復雜的電荷注入、傳輸和復合過程,需要精心設計每一層的材料和厚度,以實現(xiàn)層間協(xié)同,提高器件整體性能。精密制造多層OLED器件的制備需要真空蒸鍍、溶液旋涂等先進工藝,確保各層高質量沉積和界面無缺陷,對于提高產(chǎn)品良率至關重要。電致發(fā)光器件性能參數(shù)發(fā)光亮度電致發(fā)光器件的發(fā)光亮度是用來衡量其發(fā)光強度的重要參數(shù)。高亮度有助于提高顯示器的視覺效果和室內照明效果。發(fā)光效率電致發(fā)光效率描述了輸入電功率與實際發(fā)光功率之間的轉換比率。較高的發(fā)光效率有助于提高能源利用率和延長器件壽命。外量子效率外量子效率反映了電荷注入和光耦合過程的效率。這一參數(shù)決定了器件最大可能的發(fā)光效率。色坐標色坐標用于定量描述電致發(fā)光器件的發(fā)光顏色。它對于顯示和照明應用至關重要。發(fā)光亮度發(fā)光亮度定義衡量電致發(fā)光材料和器件發(fā)出光的明亮度程度的重要參數(shù)測量單位cd/m^2（坎德拉每平方米）典型數(shù)值范圍從數(shù)百到數(shù)萬cd/m^2不等，與材料性能和器件結構有關影響因素材料發(fā)光效率、電場強度、注入電流密度等發(fā)光效率20%外部量子效率阻止能量損失、提高電子-光子轉化效率100lm/W最高發(fā)光效率可與傳統(tǒng)照明光源相媲美40-50%內部量子效率通過材料優(yōu)化提高激發(fā)態(tài)利用效率外量子效率外量子效率是指電致發(fā)光器件從電能轉換為光能的效率。這一參數(shù)反映了器件的發(fā)光性能,通常用百分比來表示。25%的外量子效率意味著每個注入到器件中的電子只有約四分之一能轉化為光子并從器件中射出,其余能量則以熱量的形式被消耗掉。提高外量子效率是提高器件發(fā)光性能的重要途徑之一。色坐標色坐標是表示一種顏色在色彩空間中的位置的一組數(shù)值。它們可以用來精確地描述電致發(fā)光材料發(fā)出的光的色彩。這些數(shù)值通常用于評估電致發(fā)光器件的色質和發(fā)光性能。壽命主要因素發(fā)光效率降低、氧化失穩(wěn)、注入注出失衡壽命測試測量隨時間變化的亮度和效率曲線壽命指標半衰期（從初始亮度降到一半）、初始亮度保持時間電致發(fā)光材料壽命是很重要的性能指標,主要受發(fā)光效率降低、材料氧化失穩(wěn)、載流子注入注出失衡等因素影響。通過測量亮度和發(fā)光效率隨時間的變化曲線,可以評估材料的壽命,常用指標包括半衰期和初始亮度保持時間。電致發(fā)光器件制備工藝1真空蒸鍍利用真空條件下的蒸發(fā)與凝華過程制備電致發(fā)光薄膜2自組裝通過分子間的自發(fā)相互作用形成有序的電致發(fā)光材料結構3溶液工藝利用溶劑中的電致發(fā)光材料進行涂布、旋涂等制備電致發(fā)光器件的制備工藝主要包括三種方式:真空蒸鍍、自組裝和溶液工藝。這三種工藝各有優(yōu)缺點,需要根據(jù)所用材料及器件結構進行選擇,以達到最佳的制備效果和性能。真空蒸鍍1高真空環(huán)境在高真空下進行,可有效降低雜質和氧化的影響。2精確控制可精確控制蒸鍍速率和膜厚,保證薄膜質量。3大面積均勻性通過勻速旋轉基板可實現(xiàn)大面積膜層的均勻性。4良好重復性真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性確保了良好的重復性。自組裝分子自組裝通過分子間的相互作用,如氫鍵、靜電力等,分子可以自發(fā)地組裝形成有序的結構。這種自發(fā)的、自下而上的組裝過程被稱為分子自組裝。自組裝的應用分子自組裝可用于制造納米級的功能性材料,如有機發(fā)光材料、液晶材料等。自組裝工藝簡單,可控性好,是一種重要的電致發(fā)光材料制備方法。溶液工藝溶劑選擇選擇合適的溶劑是關鍵,需要考慮材料的溶解性和膜形成性能。旋涂工藝通過旋涂可以快速制備均勻的薄膜,是一種常用的溶液加工方法。噴墨打印噴墨打印能夠實現(xiàn)選區(qū)性沉積,適用于制造大面積顯示器。電致發(fā)光材料的分類根據(jù)發(fā)光機理電致發(fā)光材料可根據(jù)其發(fā)光機理分為小分子發(fā)光和聚合物發(fā)光兩大類。其中,小分子發(fā)光材料通常具有優(yōu)異的發(fā)光性能,而聚合物發(fā)光材料則具有良好的加工性。根據(jù)材料結構從分子結構角度來看,電致發(fā)光材料包括共軛聚合物、配位聚合物、金屬配合物和芳香族化合物等。這些材料在發(fā)光性、加工性和穩(wěn)定性方面各有特點。電致發(fā)光聚合物電致發(fā)光聚合物材料以共軛聚合物和配位聚合物為代表,兼具良好的發(fā)光性能和加工性。它們在平板顯示、照明等領域廣受應用。根據(jù)發(fā)光機理電致發(fā)光通過在材料中注入電流來產(chǎn)生發(fā)光。這種發(fā)光機理廣泛應用于電致發(fā)光顯示技術?；瘜W發(fā)光通過化學反應釋放能量來產(chǎn)生發(fā)光。這種原理常見于生物發(fā)光現(xiàn)象和化學發(fā)光顯示。光致發(fā)光通過吸收光能激發(fā)材料后再釋放光能而產(chǎn)生發(fā)光。這種原理用于熒光顯示和光致發(fā)光材料。熱致發(fā)光通過加熱材料釋放存儲在材料中的能量而產(chǎn)生發(fā)光。這種原理用于熱致發(fā)光顯示。根據(jù)材料結構共軛聚合物共軛聚合物材料具有碳-碳雙鍵或芳環(huán)構建的共軛骨架,能夠實現(xiàn)有效的電子傳輸和發(fā)光過程。這類材料具有良好的光電特性和可加工性。配位聚合物配位聚合物結合了金屬離子和有機配體,形成具有特殊發(fā)光性質的材料。這類材料可以通過調節(jié)金屬中心和配體結構實現(xiàn)多樣的發(fā)光顏色。電致發(fā)光聚合物材料1共軛聚合物共軛聚合物具有共軛骨架結構,能夠通過共軛π電子系統(tǒng)有效地傳輸載流子和發(fā)光,常用于制造高性能的電致發(fā)光材料。2配位聚合物配位聚合物通過金屬離子與有機配體之間的配位作用形成,能夠發(fā)射出鮮艷的顏色,適用于制造多種顏色的電致發(fā)光器件。3性能優(yōu)異電致發(fā)光聚合物材料擁有優(yōu)異的光物理性質、良好的電學性能和出色的成膜性,是制造高效率電致發(fā)光器件的理想選擇。共軛聚合物共軛骨架共軛聚合物由一系列共軛雙鍵或共軛芳環(huán)組成的大分子結構,賦予其獨特的光電性質。聚合鏈結構共軛聚合物通過共價鍵連接形成長鏈分子結構,有利于載流子傳輸和電子激發(fā)。主鏈結構共軛聚合物的主要骨架由碳碳雙鍵或芳環(huán)構成,可通過分子設計調節(jié)其性能。配位聚合物獨特的分子結構配位聚合物由金屬離子和有機配體通過配位鍵連接形成的三維網(wǎng)絡結構,具有多種獨特的物理化學性質。優(yōu)異的發(fā)光性能許多配位聚合物具有良好的電致發(fā)光特性,可用于制造高性能的有機發(fā)光二極管(OLED)器件。廣泛的應用領域配位聚合物在傳感器、催化劑、氣體吸附等方面有眾多應用,展現(xiàn)出巨大的科研與產(chǎn)業(yè)化潛力。電致發(fā)光小分子材料金屬配合物由金屬離子與有機配體結合而成的配合物,可以發(fā)出各種顏色的熒光。代表性材料包括鎢配合物、銥配合物等。具有較高的發(fā)光效率和良好的熱穩(wěn)定性。芳香族化合物含有芳香環(huán)結構的小分子有機化合物,如萘、蔥、芘等。通過分子內電荷轉移實現(xiàn)發(fā)光。具有高度共軛結構,發(fā)光顏色可調。代表性材料有TPD、Alq3等。電致發(fā)光小分子材料金屬配合物金屬配合物是電致發(fā)光小分子材料的重要類型,以金屬中心與有機配體的相互作用產(chǎn)生發(fā)光效應。常見的有機金屬化合物包括金屬絡合物、金屬卟啉及金屬卟啉衍生物等。高效發(fā)光性能金屬配合物具有高效的電致發(fā)光性能,可實現(xiàn)紅、綠、藍等寬范圍的發(fā)光色彩。通過分子設計,可優(yōu)化其光學、電學等性能,滿足不同顯示應用需求。穩(wěn)定性優(yōu)異金屬配合物具有良好的熱、電化學和光化學穩(wěn)定性,在電致發(fā)光器件中表現(xiàn)出色的使用壽命。合理的分子結構設計可進一步提高其穩(wěn)定性。芳香族化合物1結構特征芳香族化合物的核心是含有共軛雙鍵的環(huán)狀分子結構,賦予其獨特的化學穩(wěn)定性和光電性質。2代表性材料常見的芳香族電致發(fā)光材料包括苯并咪唑衍生物、芴類化合物和三苯胺類衍生物等。3發(fā)光機制這類材料通過電激發(fā),使電子從最高占據(jù)分子軌道躍遷到最低未占據(jù)分子軌道,產(chǎn)生發(fā)光。4應用優(yōu)勢芳香族化合物具有良好的熱穩(wěn)定性、高熒光量子效率和可進行分子設計等優(yōu)勢,廣泛應用于OLED領域。電致發(fā)光材料的光物理性質吸收光譜電致發(fā)光材料在特定波長范圍內會吸收光能,該吸收光譜反映了材料的電子躍遷特性。分析吸收光譜可以了解材料的共軛結構和能級分布。發(fā)射光譜當電致發(fā)光材料受到激發(fā)后會發(fā)出特定波長范圍的光輻射,這種發(fā)射光譜特性決定了材料的發(fā)光顏色。分析發(fā)射光譜可以優(yōu)化材料的發(fā)光性能。量子產(chǎn)率量子產(chǎn)率是指材料從吸收光到發(fā)射光的效率,是衡量電致發(fā)光材料發(fā)光性能的重要指標。通過測試可以了解材料的輻射躍遷和非輻射躍遷過程。吸收光譜380藍光380-500nm為藍光區(qū)域500綠光500-565nm為綠光區(qū)域565紅光565-760nm為紅光區(qū)域電致發(fā)光材料的吸收光譜決定了其能夠吸收的光能范圍。不同材料在特定波長區(qū)域有強吸收峰,這反映了材料中電子能級躍遷過程。結合發(fā)射光譜一起分析,可以了解材料的光物理性質。發(fā)射光譜發(fā)射光譜描述了物質在激發(fā)態(tài)退激到基態(tài)時釋放的光子能量分布。每種材料都有獨特的發(fā)射光譜特征,反映了其電子躍遷過程。因此,測量和分析發(fā)射光譜能夠揭示材料的電子結構及能量水平,為電致發(fā)光材料的性質研究和性能優(yōu)化提供重要依據(jù)。量子產(chǎn)率0.6內量子效率電致發(fā)光材料的內量子效率通常在60%左右20%外量子效率由于光學損耗,外量子效率僅為內量子效率的20%左右3.5發(fā)光效率電致發(fā)光材料的發(fā)光效率通常在3.5lm/W左右電致發(fā)光材料的電學性質載流子遷移率載流子在電致發(fā)光材料中的遷移速度決定了器件的響應速度。高遷移率有助于提高注入效率和復合效率。優(yōu)化材料分子結構和形態(tài)可以提高載流子的遷移能力。注入效率良好的電子和空穴注入性能是實現(xiàn)高發(fā)光效率的關鍵。通過調節(jié)材料的能級結構和界面特性,可以提高載流子的注入效率。復合效率電子和空穴在電致發(fā)光材料中的復合效率決定了最終光子的產(chǎn)生效率。優(yōu)化材料分子結構和形態(tài)有助于提高復合幾率,從而提高發(fā)光效率。載流子遷移率載流子遷移率是衡量物質中電子和空穴移動能力的重要參數(shù)。它反映了電荷載流子在電場作用下的平均移動速度。高的載流子遷移率意味著材料具有優(yōu)秀的電輸運性能,有利于提高器件的工作效率和響應速度。注入效率注入效率定義指電致發(fā)光器件中載流子從電極注入到有機層的效率。影響因素包括電極材料、有機層材料、界面狀態(tài)等。優(yōu)化措施選用合適的電極材料、優(yōu)化界面接觸、增加載流子遷移率等。與器件性能的關系注入效率直接影響器件的發(fā)光亮度和功耗。復合效率50%復合效率有效電子空穴對的復合概率20%光耦合系數(shù)從電子空穴對復合到光子發(fā)出的概率10%外量子效率從電流注入到光子實際發(fā)出的總效率電致發(fā)光過程中,電子和空穴的復合效率是關鍵指標之一。其反映了有效注入載流子轉化為發(fā)光的概率。復合效率影響著光耦合系數(shù)和外量子效率,是優(yōu)化OLED性能的重要因素。通過調控材料的電子傳輸和空穴傳輸平衡,可以提高復合效率。電致發(fā)光材料的應用平板顯示電致發(fā)光材料可用于制造有機發(fā)光二極管(OLED)顯示屏,提供出色的色彩還原度和對比度。照明電致發(fā)光材料可用于制造高效節(jié)能的發(fā)光燈具,在照明領域展現(xiàn)廣闊應用前景。柔性電子電致發(fā)光材料可應用于柔性顯示、可穿戴設備等領域,滿足消費者對靈活輕薄的需求。生物醫(yī)療一些電致發(fā)光材料具有生物相容性,可應用于醫(yī)療診斷、治療等領域,為人類健康做出貢獻