金属纳米粒子提高溶液加工型白光有机发光二极管性能及其新机制的研究

Despite a lower performance to date, solution-processed white light-emitting diodes (WOLEDs) have attractive much attention and represent the future development direction of WOLEDs because of distinct advantages, such as easily fabrication, lower cost, and compatibility with large-area techniques. Metal nanoparticles, possessing local plasma resonance effect and compatibility with solution processing technology, have been introduced in solution-processed monochromatic organic light-emitting diodes (OLEDs) to enhance internal quantum efficiency. While performances of the reported metal nanoparticle based OLEDs were not satisfied, and the main reason is the working mechanism of metal nanoparticles has not been investigated comprehensively and deeply. Poor performances of metal nanoparticles in monochromatic OLEDs hampered its application in WOLEDs. . This project improves efficiency and chromaticity of solution-processed WOLEDs through utilizing plasma resonance on blue wave band induced by metal nanoparticles. Systematic research is made on the optical and electrical mechanism of metal nanoparticles, especially on the influence on the plasma resonance effect from device structures and materials. A new mechanism about the interaction between metal nanoparticles and evanescent waves emitted by excitons is proposed and studied. Deeply research on working mechanism of metal nanoparticles promotes its application in OLEDs.

溶液加工型白光有机发光二极管（WOLED）具有制备简单，低成本的优势，因此更适用产业化的要求，代表了WOLED的未来发展方向，但是目前器件性能尚有待提高。金属纳米粒子，因其具有的局域等离子共振效应和易于溶液加工成膜的制备特点，已被用于各类单色溶液加工型有机发光二极管（OLED）来提高器件内量子效率。但是由于对其作用机制的理解还不够全面和深入，导致目前基于金属纳米粒子的OLED器件性能普遍较差，这一点制约了金属纳米粒子在WOLED中的应用。. 本项目以金属纳米粒子等离子体共振增强蓝光为突破点，提高溶液加工型WOLED的效率，改善器件色度。系统性地研究金属纳米粒子在OLED中的光、电作用机制，重点研究器件结构和材料介电常数对等离子体共振的影响；创新性地研究金属纳米粒子与激子辐射倏逝波之间的相互作用，提出新的作用机制。对金属纳米粒子工作机制的深入研究有助于完善其在OLED中的应用

溶液加工型有机发光二极管（OLED），尤其是白光OLED（WOLED），具有制备简单，低成本，适合大面积制备等优势，因此比真空蒸镀法制备的OLED更适用于产业化发展的要求。但是由于溶液加工法制备的薄膜致密性较低，制备的器件结构简单，因此器件性能远低于真空蒸镀法制备的OLED。所以提高器件性能是推动溶液加工型OLED发展的首要任务。金属纳米粒子，因其具有局域表面等离子共振效应（LSPR），可用于提高附近激子的发光效率，并进而提升发光器件效率。由于金属纳米粒子通常采用液相法制备，因此易于与结构简单的溶液加工型OLED相结合，提高器件性能。.本项目以利用金属纳米粒子LSPR效应增强蓝光为突破点，通过对金属纳米粒子和OLED器件结构的设计，制备了基于金属纳米粒子的高性能溶液加工型WOLED。.首先通过系统的理论工作，研究了金属纳米粒子的形状对其LSPR的影响，发现银纳米立方在蓝光波段对激子辐射有强烈的增强效果。接着实验制备了形貌良好的银纳米立方并包裹二氧化硅，使其在蓝光波段有强烈的LPSR效应且能够被引入OLED中的任意位置发挥作用。然后，将包裹后的银纳米立方引入OLED中，研究银纳米立方对OLED器件中电荷注入、电荷传输和激子辐射强度的影响。通过优化银纳米立方的形貌和OLED器件结构，基于银纳米立方的蓝光OLED在简单的结构中实现了高效的蓝光发射，效率达到90 cd/A。进一步将由银纳米立方和二氧化硅纳米球组成的混合纳米粒子引入溶液加工型的WOLED中，通过优化纳米粒子的浓度和WOLED的器件结构，利用银纳米立方对蓝光的增强和二氧化硅纳米球对电荷平衡的促进，大幅提高WOLED的发光效率，电流效率达到54 cd/A，功率效率达到30 lm/W。.本项目通过系统的理论和实验研究，发现通过合理的设计，金属纳米粒子可以有效提升溶液加工型OLED的器件性能，为推动OLED的产业化发展提供了一条有效途径。