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研究生： 陳永錚
Chen, Yung-Chen
論文名稱： 使用無機緩衝材料改善有機發光二極體之光電特性研究
The investigations on the optical and electrical characteristics of the OLEDs using an inorganic buffer material
指導教授： 朱聖緣
Chu, Sheng-Yuan
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 109
中文關鍵詞： 金屬氧化物 、有機發光二極體 、緩衝層
外文關鍵詞： Metal oxide, Buffer layer, OLED
相關次數： 點閱：65  下載：1 
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    • 由於金屬氧化物可扮演緩衝層及電洞注入層之角色，改善有機材料與ITO電極表面附著不平整之問題，並使得電洞注入效能提升，讓更多的電洞、電子能夠在有機發光層內產生再結合放光現象，進而達到元件低驅動電壓與高放光效率等優點。因此本研究嘗試將鋰、鎂金屬離子摻雜於氧化鋅粉末中，並使用此材料來製作無機緩衝層之有機發光二極體元件，探討金屬離子的摻入如何改善元件效率。

    本論文主要分為兩大部分，第一部份為研究ZnO薄膜依不同Li、Mg參雜物濃度、膜厚對元件的影響。第二部分為探討以真空熱蒸鍍的方式，所製成單層金屬氧化物結構、光電特性，並輔助說明電荷載子在元件中如何注入、傳輸等機制。

    由實驗結果發現：鋰金屬離子的摻雜，可增加氧化鋅薄膜的功函數；選用金屬氧化物緩衝層功函數接近NPB材料的HOMO值的材料，可有效改善電洞注入效率與降低元件驅動電壓。

    Metal oxide films play the role of the buffer-layer and hole-injection layer, and improve the interface roughness problem between organic materials and ITO electrode. They also increase the hole-injection efficiency for more hole-electron to recombine and emit photon in the organic emission layer, and achieve the goals for making OLEDs devices with low driving voltage and high power efficiency. In this study, we try to deposit ZnO:Li、Mg films by thermal evaporation method as the inorganic buffer layer in OLEDs devices, and also investigate the mechanism how the Li、Mg doped ZnO buffer layers can be used for improving the device efficiency.

    In the first phase of this research, we deposited Li、Mg doped ZnO films with different concentration and thickness as the buffer layer to investigate the characteristics of the OLEDs. We also studied the mechanism for those devices and measured the structures and the optical-electrical characteristics of those metal oxide films.

    In this study, we found that doping Li metal in the ZnO powder can increase the work function of ZnO films. As we chose the materials that their work functions closed to the HOMO of NPB, they could be used for improving the hole-injection efficiency and lowering the driving voltage.

    中文摘要 I 英文摘要 II 致謝 IV 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XIII 第一章 導論 1 1-1前言 1 1-2電洞注入緩衝層之文獻顧 2 1-3 研究動機與實驗方向 4 第二章 理論基礎與文獻回顧 5 2-1分子的吸收與放光 5 2-2 有機發光二極體的發光原理 7 2-3 有機發光二極體的元件結構 7 2-4 元件電流限制 9 2-4-1電荷注入 10 2-4-2電荷傳播 11 2-5有機材料與緩衝層介紹 13 2-5-1電洞注入與緩衝層材料 13 2-5-2電洞傳輸材料 14 2-5-3電子傳輸材料及發光層主體材料 14 2-5-4低功函數負電極 15 2-6氧化鋅的摻雜應用 15 第三章 實驗步驟與方法 17 3-1 有機電激發光元件製程分類 17 3-2 真空熱蒸鍍系統設備(Thermal evaporation system) 17 3-3 實驗材料 18 3-4摻雜鋰、鎂的氧化鋅粉末配置 18 3-5 ITO基板前處理之實驗步驟 19 3-6真空蒸鍍之實驗步驟 20 3-6 單體沉積速率之測定 21 3-8 氧化鋅薄膜的SEM和AFM分析 21 3-9 OLED單層、多層元件之電流、電壓與亮度關係曲線圖量測 21 第四章 結果與討論 22 4-1金屬氧化物緩衝層對元件的影響 22 4-1-1 ZnO緩衝層對元件的影響 23 4-1-2 ZnO摻雜Li做為緩衝層對元件的影響 25 4-1-2-1 ZnO:Li不同膜厚做緩衝層對元件的影響 25 4-1-2-2 ZnO:Li不同濃度做緩衝層對元件的影響 28 4-1-3 ZnO摻雜Mg做為緩衝層對元件的影響 30 4-1-4 ZnO摻雜Li、Mg做為緩衝層對元件的影響 32 4-1-4-1 Zn0.9Mg0.1O：Li不同膜厚做緩衝層對元件的影響 32 4-1-4-2 Zn0.9Mg0.1O：Li不同濃度做緩衝層對元件的影響 35 4-2臭氧表面處理對元件之影響 37 4-2-1 ITO電極臭氧表面處理對元件之影響 37 4-2-2無機緩衝層臭氧表面處理對元件之影響 38 4-3熱蒸鍍金屬氧化物之薄膜分析 39 4-3-1 SEM表面結構分析 39 4-3-2 AFM表面粗糙度分析 40 4-3-3 XPS組成成分分析 40 4-3-4 AC-2功函數之量測 41 4-3-5金屬氧化物穿透率分析 41 4-3-6單電洞元件探討 42 第五章結論與未來展望 43 5-1結論 43 5-2未來展望 44 參考文獻 45 附圖 48 附表 106 圖目錄 圖1-1 Anthracence的分子結構式 48 圖1-2柯達公司1987年首創OLED結構 48 圖1-3 PPV的分子結構式 48 圖1-4 Adachi等人所發表的雙層異質結構 49 圖2-1 Jablonski的能階圖 50 圖2-2 單重與三重激發態 50 圖2-3 有機發光二極體發光步驟 51 圖2-4 最早有機發光二極體元件結構 51 圖2-5 緩衝層工作原理 52 圖2-6 氧化鋅晶體的材料結構 52 圖3-1 小分子型元件製程單元的簡易流程圖 53 圖3-2 真空蒸鍍統 54 圖3-3 NPB材料結構圖 54 圖3-4 Alq3材料結構圖 54 圖4-1 Device A 元件結構圖 55 圖4-2 Device A 元件能帶圖 55 圖4-3 Device A 電流密度-電壓特性圖 56 圖4-4 Device A 亮度-電壓特性圖 56 圖4-5 Device A 電激發光光譜曲線圖 57 圖4-6 Device A 亮度-電流密度曲線圖 57 圖4-7 Device B 元件結構圖 58 圖4-8 Device B 元件能帶圖 58 圖4-9 Device B（ZnO:1%Li）電流密度-電壓特性圖 59 圖4-10 Device B（ZnO:1%Li）亮度-電壓特性圖 59 圖4-11 Device B（ZnO:1%Li）電激發光光譜曲線圖 60 圖4-12 Device B（ZnO:1%Li）亮度-電流密度曲線圖 60 圖4-13 Device B（ZnO:5%Li）電流密度-電壓特性圖 61 圖4-14 Device B（ZnO:5%Li）亮度-電壓特性圖 61 圖4-15 Device B（ZnO:5%Li）電激發光光譜曲線圖 62 圖4-16 Device B（ZnO:5%Li）亮度-電流密度曲線圖 62 圖4-17 Device B（ZnO:10%Li）電流密度-電壓特性圖 63 圖4-18 Device B（ZnO:10%Li）亮度-電壓特性圖 63 圖4-19 Device B（ZnO:10%Li）電激發光光譜曲線圖 64 圖4-20 Device B（ZnO:10%Li）亮度-電流密度曲線圖 64 圖4-21 Device B（0.6 nm ZnO:x%Li）電流密度-電壓特性 65 圖4-22 Device B（0.6 nm ZnO:x%Li）亮度-電壓特性圖 65 圖4-23 Device B（0.6 nm ZnO:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 66 圖4-24 Device B（1 nm ZnO:x%Li）電流密度-電壓特性 66 圖4-25 Device B（1 nm ZnO:x%Li）亮度-電壓特性圖 67 圖4-26 Device B（1 nm ZnO:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 67 圖4-27 Device B（1.4 nm ZnO:x%Li）電流密度-電壓特性 68 圖4-28 Device B（1.4 nm ZnO:x%Li）亮度-電壓特性圖 68 圖4-29 Device B（1.4 nm ZnO:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 69 圖4-30 Device C 元件結構圖 70 圖4-31 Device C 元件能帶圖 70 圖4-32 Device C 電流密度-電壓特性圖 71 圖4-33 Device C 亮度-電壓特性圖 71 圖4-34 Device C 電激發光光譜曲線圖 72 圖4-35 Device C 亮度-電流密度曲線圖 72 圖4-36 Device D 元件結構圖 73 圖4-37 Device D 元件能帶圖 73 圖4-38 Device D（Zn0.9Mg0.1O:1%Li）電流密度-電壓特性圖 74 圖4-39 Device D（Zn0.9Mg0.1O:1%Li）亮度-電壓特性圖 74 圖4-40 Device D（Zn0.9Mg0.1O:1%Li）電激發光光譜曲線圖 75 圖4-41 Device D（Zn0.9Mg0.1O:1%Li）亮度-電流密度曲線圖 75 圖4-42 Device D（Zn0.9Mg0.1O:5%Li）電流密度-電壓特性圖 76 圖4-43 Device D（Zn0.9Mg0.1O:5%Li）亮度-電壓特性圖 76 圖4-44 Device D（Zn0.9Mg0.1O:5%Li）電激發光光譜曲線圖 77 圖4-45 Device D（Zn0.9Mg0.1O:5%Li）亮度-電流密度曲線圖 77 圖4-46 Device D（Zn0.9Mg0.1O:10%Li）電流密度-電壓特性圖 78 圖4-47 Device D（Zn0.9Mg0.1O:10%Li）亮度-電壓特性圖 78 圖4-48 Device D（Zn0.9Mg0.1O:10%Li）電激發光光譜曲線圖 79 圖4-49 Device D（Zn0.9Mg0.1O:10%Li）亮度-電流密度曲線圖 79 圖4-50 Device D（0.6 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）電流密度-電壓特性 80 圖4-51 Device D（0.6 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電壓特性圖 80 圖4-52 Device D（0.6 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 81 圖4-53 Device D（1 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）電流密度-電壓特性 81 圖4-54 Device D（1 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電壓特性圖 82 圖4-55 Device D（1 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 82 圖4-56 Device D（1.4 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）電流密度-電壓特性 83 圖4-57 Device D（1.4 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電壓特性圖 83 圖4-58 Device D（1.4 nm Zn0.9Mg0.1O:x%Li）亮度-電流密度曲線圖 84 圖4-59 ITO元件臭氧表面處理之電流密度-電壓特性圖 85 圖4-60 ITO元件臭氧表面處理之亮度-電壓特性圖 85 圖4-61 ITO元件臭氧表面處理之電激發光光譜曲線圖 86 圖4-62 ITO元件臭氧表面處理之亮度-電流密度曲線圖 86 圖4-63 ZnO緩衝層元件臭氧表面處理之電流密度-電壓特性圖 87 圖4-64 ZnO緩衝層元件臭氧表面處理之亮度-電壓特性圖 87 圖4-65 ZnO緩衝層元件臭氧表面處理之電激發光光譜曲線圖 88 圖4-66 ZnO緩衝層元件臭氧表面處理之亮度-電流密度曲線圖 88 圖4-67 ZnO SEM圖 89 圖4-68 ZnO:5%Li SEM圖 89 圖4-69 Zn0.9Mg0.1O SEM圖 89 圖4-70 Zn0.9Mg0.1O:5%Li SEM圖 89 圖4-71 ITO表面AFM圖 90 圖4-72 ITO表面臭氧處理AFM圖 90 圖4-73 ZnO表面AFM圖 91 圖4-74 ZnO表面臭氧處理AFM圖 91 圖4-75 ZnO:1%Li表面AFM圖 92 圖4-76 ZnO:1%Li表面臭氧處理AFM圖 92 圖4-77 ZnO:5%Li表面AFM圖 93 圖4-78 ZnO:5%Li表面臭氧處理AFM圖 93 圖4-79 ZnO:10%Li表面AFM圖 94 圖4-80 ZnO:10%Li表面臭氧處理AFM圖 94 圖4-81 Zn0.9Mg0.1O表面AFM圖 95 圖4-82 Zn0.9Mg0.1O表面臭氧處理AFM圖 95 圖4-83 Zn0.9Mg0.1O:1%Li表面AFM圖 96 圖4-84 Zn0.9Mg0.1O:1%Li表面臭氧處理AFM圖 96 圖4-85 Zn0.9Mg0.1O:5%Li表面AFM圖 97 圖4-86 Zn0.9Mg0.1O:5%Li表面臭氧處理AFM圖 97 圖4-87 Zn0.9Mg0.1O:10%Li表面AFM圖 98 圖4-88 Zn0.9Mg0.1O:10%Li表面臭氧處理AFM圖 98 圖4-89 ZnO薄膜O元素XPS圖 99 圖4-90 ZnO:5%Li薄膜O元素XPS圖 99 圖4-91 Zn0.9Mg0.1O薄膜O元素XPS圖 100 圖4-92 Zn0.9Mg0.1O:5%Li薄膜O元素XPS圖 100 圖4-93 Zn元素XPS圖 101 圖4-94 C元素XPS圖 101 圖4-95 O元素XPS圖 102 圖4-96 金屬氧化物之穿透率圖 103 圖4-97 單電洞元件結構圖 104 圖4-98 單電洞元件能帶圖 104 圖4-99 單電洞元件電流-電壓特性圖 105 圖4-100 單電洞元件相對電流-電壓特性圖 105 表目錄 表1-1 OLED元件ITO/ZnO/NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 106 表1-2 OLED元件ITO/ZnO:1%Li/NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 106 表1-3 OLED元件ITO/ZnO:5%Li/NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 106 表1-4 OLED元件ITO/ZnO:10%Li/NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 107 表1-5 OLED元件ITO/Zn0.9Mg0.1O/NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 107 表1-6 OLED元件ITO/Zn0.9Mg0.1O:1%Li /NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 107 表1-7 OLED元件ITO/Zn0.9Mg0.1O:5%Li /NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 108 表1-8 OLED元件ITO/Zn0.9Mg0.1O:10%Li /NPB/Alq3/LiF/Al不同膜厚對應低電壓最大亮度、最大揮度、最大元件效率 108 表1-9金屬氧化物AC-2功函數量測值 108 表1-10金屬氧化物AFM粗糙度量測 109

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    下載圖示 校內：2009-06-23公開
    校外：2009-06-23公開
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