【OLED】發(fā)光原理⑤載流子的注入與傳輸OLED發(fā)光過程分為4個(gè)步驟，包括載流子的注入、載流子的傳輸、激子的產(chǎn)生和激子擴(kuò)散及輻射發(fā)光的過程。今天的文章重點(diǎn)細(xì)說一下載流子的注入和載流子的傳輸兩個(gè)動(dòng)作。相對(duì)于無機(jī)半導(dǎo)體器件，由于有機(jī)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力比較差，兩類器件的電流傳輸特性相差比較大。其傳輸電流流經(jīng)

OLED

可分為兩個(gè)步驟：一是電荷由電極注入有機(jī)層，二是注入的電荷在有機(jī)層內(nèi)傳遞，因此電流的大小由金屬/有機(jī)材料接觸界面性質(zhì)和有機(jī)材料本身的特性兩個(gè)因素決定。當(dāng)金屬/有機(jī)材料接觸界面勢(shì)壘非常小時(shí)，

稱為歐姆接觸，器件的電流由流經(jīng)有機(jī)材料的電流決定。當(dāng)該勢(shì)壘比較大時(shí)，由兩者共同決定,該勢(shì)壘稱為肖特基接觸勢(shì)壘（Schottky）01載流子注入有機(jī)半導(dǎo)體中的載流子注入是OLED器件工作物理過程中的第一步，是指電子和空穴通過電極/有機(jī)界面注入到有機(jī)半導(dǎo)體材料的分子軌道能級(jí)的過程。通俗來說，載流子注入，即電子、空穴從電極注入傳輸層。一般陽極、空穴傳輸層的HOMO能級(jí)不匹配，陰極、電子傳輸層的LUMO也能級(jí)不匹配，存在著比較大的勢(shì)壘。為了實(shí)現(xiàn)更好的注入，引入空穴注入層、電子注入層來修飾陽極和陰極使它們的能級(jí)與功函數(shù)匹配，這樣，電子、空穴能有效平衡地注入。理想條件下，電子、空穴能夠以1:1的比例平衡注入，實(shí)現(xiàn)電子空穴的高效利用。研究載流子注入機(jī)理十分必要，對(duì)優(yōu)化有機(jī)EL器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有重要作用，可以有效降低起亮電壓、提高器發(fā)光效率。目前有關(guān)載流子注入機(jī)理并沒有成熟的理論，大致可以分為以下3種：歐姆注入、熱電子發(fā)射注入、隧穿注入。載流子的注入效率直接影響著OLEDs器件的啟亮電壓、發(fā)光效率和壽命。由于正負(fù)電極的功函數(shù)與有機(jī)材料的分子軌道能級(jí)不匹配，存在能級(jí)差，導(dǎo)致有機(jī)層和電極之間形成界面勢(shì)壘，如圖所示。因此，電子和空穴的注入需要克服界面勢(shì)壘，才能注入到有機(jī)功能層。有機(jī)功能層和電極間的勢(shì)壘是影響載流子注入、器件亮度和效率的重要因素。電子、空穴從高電導(dǎo)能力的電極材料向低導(dǎo)電性能的有機(jī)半導(dǎo)體材料渡越，過程比較復(fù)雜。這與諸多因數(shù)有關(guān)，如電極材料性質(zhì)、有機(jī)材料本身性質(zhì)、電接觸界面、表面態(tài)、器件結(jié)構(gòu)等。探究載流子注入方式可以通過測(cè)量器件的電流-電壓（I-V）特性來反映。當(dāng)金屬/半導(dǎo)體界面處注入勢(shì)壘很小時(shí)，注入形式就是歐姆接觸，I-V呈現(xiàn)線性特征；當(dāng)存在較大界面接觸勢(shì)壘時(shí)，I-V特性呈現(xiàn)非線性特征，稱為注入限制電流，關(guān)于載流子注入機(jī)制，目前主要有兩種理論：一種為隧穿注入，另一種為熱電子發(fā)射注入。Ef一金屬的費(fèi)米能級(jí)Evac——真空能級(jí)

Φm——金屬的功函數(shù)ea——有機(jī)半導(dǎo)體材料的電子親和勢(shì)Ip——電離勢(shì)ΦB——電子從金屬電極向有機(jī)半導(dǎo)體材料注入的注入勢(shì)壘熱電子注入(Richardson-Schottky(RS)RS熱電子注入模型中，電子通過吸收熱聲子獲得能量從而翻越注入界面的勢(shì)壘(如圖過程所示)，RS熱電子發(fā)射模型中，電流密度Jrs是電場(chǎng)強(qiáng)度E和絕對(duì)溫度T的函數(shù)，可以用下式表示：隧穿注入(Fowler-Nordheim(FN)在FN隧穿模型中，電子在外場(chǎng)的作用下依照一定的幾率隧穿通過三角形注入勢(shì)壘(如圖過程2所示)。在FN隧穿模型中，一般認(rèn)為:在電場(chǎng)強(qiáng)度較小而且注入勢(shì)壘高度較小的情況下，載流子主要以RS熱電子發(fā)射模式越過勢(shì)壘;而在電場(chǎng)強(qiáng)度較大或者勢(shì)壘高度較高的情況下，載流子主要以FN隧穿的方式穿過勢(shì)壘。02載流子傳輸載流子傳輸，即將注入至有機(jī)層的載流子運(yùn)輸至復(fù)合界面處。在電場(chǎng)力作用下，電子、空穴分別在電子傳輸層、空穴傳輸層上傳輸，向發(fā)光層靠近。電子、空穴的遷移速度和傳輸層的遷移率相關(guān)，所以，采用高遷移率的有機(jī)材料作傳輸層，可以有效地降低驅(qū)動(dòng)電壓，提高器件功率效率。傳輸層對(duì)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)十分重要，處于電極、發(fā)光層之間。材料選擇時(shí)，既要考慮載流子輸運(yùn)性能（材料的載流子遷移率要相對(duì)大一些），又要考慮能級(jí)匹配等因素。此外，傳輸材料應(yīng)當(dāng)具有良好的成膜性、穩(wěn)定性。載流子在有機(jī)薄膜內(nèi)的遷移被認(rèn)為是跳躍運(yùn)動(dòng)，跳躍運(yùn)動(dòng)依靠電子云的重疊來完成。衡量有機(jī)薄膜載流子傳輸能力的一個(gè)主要指標(biāo)是載流子遷移率。目前所使用有機(jī)小分子空穴傳輸材料的遷移率一般在10cm2/V.s左右，而電子傳輸材料的遷移率相對(duì)低兩個(gè)數(shù)量級(jí).因此，開發(fā)新型高遷移率的電子傳輸材料是平衡載流子注入和提高載流子復(fù)合效率最有效的方法。固體有機(jī)材料的載流子遷移率較低，大量注入時(shí)，在有機(jī)半導(dǎo)體內(nèi)部容易形成空間積累電荷，流經(jīng)的電流稱為體電流（bulk

current）。目前，載流子傳輸機(jī)理還不是十分清楚，其中如下理論模型最為常用。歐姆傳輸特性在極小電流時(shí)，注入載流子少到可以忽略。此時(shí)導(dǎo)電主要來自于材料內(nèi)部自身的熱激發(fā)載流子的貢獻(xiàn)，I-V曲線呈現(xiàn)歐姆定律形式：J=qmnE=qmnV/d其中，J是電流強(qiáng)度，E為偏置場(chǎng)強(qiáng)，μ是載流子遷移率，n是載流子濃度，V為器件兩端所加的電壓，d為器件的厚度?？臻g電荷限制電流模型（SCLC）有機(jī)半導(dǎo)體遷移率低，載流子容易在電極/有機(jī)層界面堆積，從而形成空間電荷?？臻g電荷產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反，限制載流子進(jìn)一步注入。I-V

特性可以用空間電荷限制模型來描述：

其中，ε0

是真空介電常數(shù)，εr

是有機(jī)材料介電常數(shù)。陷阱填充的空間限制電流模型（TFLSCLC）考慮到體材料的陷阱限制效應(yīng)，如果注入載流子被能級(jí)分裂的淺能級(jí)陷阱俘獲，則這部分載流子不能起到導(dǎo)電作用。此時(shí)器件的電流特性有如下形式：其中

Θ是一個(gè)與溫度有關(guān)的參數(shù)，一般小于1。陷阱電荷限制電流模型（TCLC)這種器件的I-V特性可以認(rèn)為是由于有機(jī)固體分子層中高濃度的陷阱分布所決定的。通常在低電流情況時(shí)，陷阱并未被填滿，電流呈現(xiàn)如下形式：m

為整數(shù)。當(dāng)電壓進(jìn)一步增加，達(dá)到一定的注入水平，陷阱被完全填滿，此時(shí)陷阱不再影響電子的傳輸，器件再次表現(xiàn)為理想的

SCLC

傳輸。此時(shí)

m＝1，此公式不再考慮有機(jī)層中陷阱限制效應(yīng)，式3轉(zhuǎn)變?yōu)槭?的形式。研究載流子傳輸過程有許多重要意義：-增強(qiáng)材料對(duì)電子、空穴的傳輸效果，降低器件工作電壓；-增加器件內(nèi)載流子密度，能增加形成激子