白光二极管及其最近进展

1 导言

　　全世界每年都消耗巨大数量的电能。在全部的电能消费中，照明用电能占到了总电能产量的 20% 。荧光灯和白炽灯是使用最普遍的传统照明光源，照明用电能的 40% 被它们消耗掉了。白炽灯把 90% 的电能变成了热能，荧光灯的表现好些，它把消耗掉的电能的 70% 转换成了光能。白炽灯和荧光灯的典型发光效率分别是 13-20lm/W 和 90lm/W [1] 。所以为了节省世界上的能源，一个办法就是找到传统光源的替代品。研究者们花了十多年时间研究具有更好的表现的半导体发光二极管。市场上早已经出现了由无机材料制作的红、绿、蓝及其其他颜色的发光二极管，它们广泛应用在交通信号灯、汽车尾灯及其其他一些小的应用当中。无机白光发光二极管也已经出现在市场上，不过它们的价格相对普通照明使用来说，还是比较高昂的。现在照明光源的一个新的竞争对手也已经来到了市场上，它就是基于有机半导体材料的发光二极管。

　　在过去的十年中， OLED 在显示技术领域显示出了可以与液晶相比的强大的竞争力。自从 1987 年在 tris (8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3)[2] 和 1990 年在 poly(p-phenylene vinylene) (PPV)[3] 中发现高效的电致发光以来， OLED 成为了最吸引人的显示技术。它具有制备简单、响应时间短、高亮度、宽视角、低驱动电压、最有可能应用到柔性衬底上和全彩显示等优点。 OLED 显示具有耐用、高效、可以制备到柔性衬底上的优点，例如塑料和纸张的表面，制备出的显示屏可以被弯曲或卷起。与液晶不同的是， OLED 是自发光，无需背光，这使 OLED 显示屏可以做的更薄和更轻便。

　　OLED 是多层膜器件，它由夹在两个薄膜电极中间的活性电荷传输层和发光层组成，其中至少有一个电极是透明的。一般来说，具有高功函（ ~4.8eV ）、低面电阻（ ~20 Ω / □ ）并且对可见光透明的氧化铟锡（ ITO ）被用来作为阳极，阴极一般采用低功函的金属，例如 Ca 、 Ma 、 Al 或它们的合金 Ma:Ag 、 Li:Al 。一个具有好的电子传输性能和空穴阻挡性能的有机层被放在阴极和发光层之间。同样地，空穴传输层和电子阻挡层被用在阳极和发光层中间。当外部被加上偏压时，电子和空穴分别从 OLED 的阴极和阳极注入。在外部电场的作用下，电子和空穴向相对的方向迁移，在发光区复合形成激子，激子衰减向外辐射出光。激子的迁移动力学和性质在这里不做讨论。

　　白光 OLED 技术由于在通用固态照明和在平板显示作为液晶背光源中的应用，吸引了相当多的关注。在全彩显示的制备中，三基色是同等重要的，但是白光发射获得了更多的关注是因为任何想得到的色彩范围都可以通过过滤白光来得到。第一个白光 OLED 器件在 1993 年由 Kido 和他的同事制备出来。这个器件包含可以发红、绿、蓝三种光的化合物，共同产生白光。但是这也同时存在一些问题。器件的效率低于 1lm/W ，器件需要大的驱动电压，而且很快就被烧掉了。但是现在这些器件的效率提高的很快。每年在传统 LED 、氮化物 LED 、白光 OLED 中效率的进步如图 1 所示。

图 1 ：发光二极管效率进步年度表

2 OLED 激发白光的途径

　　照明用白光应该具有好的显色指数（＞ 75 ）和好的色坐标位置（接近国际照明协会的色品图的（ 0.33, 0.33 ）点）。从 OLED 中产生白光大致可以分为以下两种途径。

（ a ）波长转换 从 OLED 中发出的蓝光或紫外光被用来激发几种磷光材料，每种材料发出的不同颜色的光混合到一起，就可以得到具有丰富波长范围的白光。这个技术被成为磷光的下转换。

（ b ）颜色混合 这种方法是在一个器件中使用多个发光层，利用不同发光层发出的不同颜色的光混合，产生白光。白光可以通过混合 2 种互补色（蓝色和橙色）或三基色（红、绿、蓝）来得到。典型的通过多层结构来产生多种颜色的光，各种颜色混合起来得到白光的方法主要有 (a) 包含红、绿、蓝发光层的多层结构 (b) F¨orster / Dexter 能量转换 (c) 微腔结构 (d) 通过垂直 / 水平的叠层结构来获得白光 (e) 不同发光材料混合或掺杂成为一个混合层。在颜色混合技术中，由于没有磷光材料的使用，因此，由波长转换引起的损失不会发生，这种技术具有获得更高效率的潜力。下面对各种方法详细讨论。

　　获得好的质量的白光不需要取得突破，但是获得稳定的白光仍旧是一个研究和发展的热点。