電致發(fā)光(英文electroluminescent)，又可稱電場發(fā)光，簡稱EL，是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子在能級間的躍遷、變化、復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。電致發(fā)光物料的例子包括摻雜了銅和銀的硫化鋅和藍(lán)色鉆石。電致發(fā)光的研究方向主要為有機(jī)材料的應(yīng)用。電致發(fā)光板是以電致發(fā)光原理工作的。電致發(fā)光板是一種發(fā)光器件，簡稱冷光片、EL燈、EL發(fā)光片或EL冷光片，它由背面電極層、絕緣層、發(fā)光層、透明電極層和表面保護(hù)膜組成，利用發(fā)光材料在電場作用下產(chǎn)生光的特性，將電能轉(zhuǎn)換為光能。

電致發(fā)光(電場發(fā)光，EL)是指電流通過物質(zhì)時或物質(zhì)處于強(qiáng)電場下發(fā)光的現(xiàn)象，一般認(rèn)為是在強(qiáng)電場作用下，電子的能量相應(yīng)增大，直至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱平衡狀態(tài)下的電子能量而成為過熱電子，這過熱電子在運動過程中可以通過碰撞使晶格離化形成電子、空穴對，當(dāng)這些被離化的電子、空穴對復(fù)合或被激發(fā)的發(fā)光中心回到基態(tài)時便發(fā)出光來.

人類對光明的渴望與追求，從來沒有停止過。歷史上人類對于各種人造光源不懈的創(chuàng)造與發(fā)明，正是這種渴望與追求的體現(xiàn)。從最初的鉆燧木取火，到現(xiàn)在隨處可見的發(fā)光二極管(LED/OLED)，再到將來的人造太陽(可控核聚變)，人類無限的想象力和創(chuàng)造力正在源源不斷的傾注到這種渴求中。這里我們要聊的就是各種人造光源中的重要一員，電致發(fā)光。

(題圖中的照片是一家芬蘭公司Tasel展示的全透明電致發(fā)光顯示器件)

電致發(fā)光，英文叫做Electroluminescence。 這個合成詞中，electro-的前綴指的是“與電子/電場相關(guān)的”。后面的luminescence很有意思，它特別是指“冷光”，就是那些不伴隨發(fā)熱過程而產(chǎn)生的光，與平時我們更常見到“白熾”(incandescence)光相對。而后者通常指代那些伴隨光源(比如普通燈泡里的鎢絲)劇烈發(fā)熱過程而產(chǎn)生的光。維基百科的解釋是【1】， 電致發(fā)光同時是一種光學(xué)和電學(xué)現(xiàn)象，指物質(zhì)在電流通過時或者處于電場中時的發(fā)光現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是區(qū)別于白熾發(fā)光(incandescence)、 化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence)、聲致發(fā)光(sonoluminescence) 和其它基于力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)力發(fā)光(mechanoluminescence)等現(xiàn)象的。

電致發(fā)光又稱場致發(fā)光，電致發(fā)光現(xiàn)象是指電能直接轉(zhuǎn)換為光能的一類發(fā)光現(xiàn)象，它包括注入式電致發(fā)光和本征型電致發(fā)光。

(1)注入式電致發(fā)光：直接由裝在晶體上的電極注入電子和空穴，當(dāng)電子與空穴在晶體內(nèi)再復(fù)合時，以光的形式釋放出多余的能量。注入式電致發(fā)光的基本結(jié)構(gòu)是結(jié)型二極管(LED);

(2)本征型電致發(fā)光：又分為高場電致發(fā)光與低能電致發(fā)光。其中高場電致發(fā)光是熒光粉中的電子或由電極注入的電子在外加強(qiáng)電場的作用下在晶體內(nèi)部加速，碰接發(fā)光中心并使其激發(fā)或離化，電子在回復(fù)到基態(tài)時輻射發(fā)光。

從發(fā)光原理電致發(fā)光可以分為高場電致發(fā)光和低場電致發(fā)光。高場電致發(fā)光是一種體內(nèi)發(fā)光效應(yīng)。發(fā)光材料是一種半導(dǎo)體化合物，摻雜適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)引進(jìn)發(fā)光中心或形成某種介電狀態(tài)。當(dāng)它與電極或其他介質(zhì)接觸時，其勢壘處于反向時，來自電極或界面態(tài)的電子，進(jìn)人發(fā)光材料的高場區(qū)，被加速并成為過熱電子。它可以碰撞發(fā)光中心使之被激發(fā)或被離化，或者離化晶格等。再通過一系列的能量輸運過程，電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)而發(fā)光。低場電致發(fā)光又稱為注人式發(fā)光，主要是指半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。1960 年人們發(fā)現(xiàn)GaAs的p-n結(jié)二極管，在正向偏壓下，發(fā)生少數(shù)載流子注入，并在p-n結(jié)附近，兩種載流子發(fā)生復(fù)合而發(fā)光。由于這種半導(dǎo)體材料禁帶較窄，發(fā)出的是紅外光。隨后，利用這一原理，不斷開拓較寬禁帶的半導(dǎo)體材料GaP，GaInP，GaAlAs，GaN等等，陸續(xù)研制成紅色、黃色、綠色和藍(lán)色的發(fā)光二極管。近年來，在電致發(fā)光領(lǐng)域，有機(jī)薄膜電致發(fā)光異軍突起。一般認(rèn)為,有機(jī)電致薄膜發(fā)光過程由以下5 個步驟：

(1) 載流子的注入。在外加電場的作用下,電子和空穴分別從陰極和陽極向夾在電極之間的有機(jī)功能薄膜層注入。電子從陰極注入到有機(jī)物的最低未占據(jù)分子軌道(LUMO )，而空穴從陽極注入到有機(jī)物的最高占據(jù)分子軌道(HOMO) 。

(2) 載流子的遷移。注入的電子和空穴分別從電子傳輸層和空穴傳輸層向發(fā)光層遷移。

(3) 載流子的復(fù)合。電子和空穴結(jié)合產(chǎn)生激子。

(4) 激子的遷移。激子在有機(jī)固體薄膜中不斷地作自由擴(kuò)散運動,并以輻射或無輻射的方式失活。

(5) 電致發(fā)光。當(dāng)激子由激發(fā)態(tài)以輻射躍遷的方式回到基態(tài),就可以觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象,發(fā)射光的顏色是由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的能級差所決定的。

電致發(fā)光器件的基本結(jié)構(gòu)屬于夾層式結(jié)構(gòu),激發(fā)光層被兩側(cè)電極像三明治一樣夾在中間,一側(cè)為透明電極以便獲得面發(fā)光。由于陽極功函數(shù)高可以提高空穴注入效率,所以一般使用的陽極多為氧化銦-氧化錫(ITO)。在ITO上再用蒸發(fā)蒸鍍法或旋轉(zhuǎn)涂層法制備單層或多層膜,膜上面是金屬陰電極,由于金屬的電子逸出功影響電子的注入效率,因此要求其功函數(shù)盡可能低。現(xiàn)以目前研究較多較熱的有機(jī)電致發(fā)光器件為例進(jìn)行說明

大多數(shù)有機(jī)電致發(fā)光材料是單極性的,同時具有均等的空穴和電子傳輸性質(zhì)的有機(jī)物很少,一般只具有傳輸空穴的性質(zhì)或傳輸電子的性質(zhì)。為了增加空穴和電子的復(fù)合幾率,提高器件的效率和壽命,OLED的結(jié)構(gòu)從簡單的單層器件發(fā)展到雙層器件、3 層器件甚至多層器件。因為采用這種單極性的有機(jī)物作為單層器件的發(fā)光機(jī)材料,會使電子與空穴的復(fù)合自然地靠近某一電極,當(dāng)復(fù)合區(qū)越靠近這一電極,就越容易被該電極所淬滅,而這種淬滅有損

于有機(jī)物的有效發(fā)光,從而使OLED發(fā)光效率降低。而采用雙層、3 層甚至多層結(jié)構(gòu)的OLED,能充分發(fā)揮各功能層的作用,調(diào)節(jié)空穴和電子注入到發(fā)光層的速率,只有使注入的電子和空穴在發(fā)光層復(fù)合,才能提高器件的發(fā)光效率。由于大多數(shù)有機(jī)物具有絕緣性,只有在很高的電場強(qiáng)度下才能使載流子從一個分子流向另一個分子,所以有機(jī)膜的總厚度不能超過幾百納米,否則器件的驅(qū)動電壓太高,會失去LED的實際應(yīng)用價值。

·穩(wěn)固性：平達(dá)電致發(fā)光顯示器是為苛刻環(huán)境條件下的應(yīng)用而設(shè)計的：冷、熱、風(fēng)、灰塵、震動、日照、甚至失重環(huán)境。

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從發(fā)光材料角度,可將電致發(fā)光分為無機(jī)電致發(fā)光和有機(jī)電致發(fā)光。無機(jī)電致發(fā)光材料一般為等半導(dǎo)體材料。有機(jī)電致發(fā)光材料依據(jù)有機(jī)發(fā)光材料的分子量的不同

可以區(qū)分為小分子和高分子兩大類。小分子OLED材料以有機(jī)染料或顏料為發(fā)光材料，高分子OLED材料以共軛或者非共軛高分子(聚合物)為發(fā)光材料，典型的高分子發(fā)光材料為PPV及其衍生物。

有機(jī)電致發(fā)光材料依據(jù)在OLED器件中的功能及器件結(jié)構(gòu)的不同，又可以區(qū)分為空穴注入層(HIL)、空穴傳輸層(HTL)、發(fā)光層(EML)、電子傳輸層(ETL)、電子注入層(EIL)等材料。其中有些發(fā)光材料本身具有空穴傳輸層或者電子傳輸層的功能，這樣的發(fā)光材料也通常被稱為主發(fā)光體;發(fā)光材料層中少量摻雜的有機(jī)熒光或者磷光染料可以接受來自主發(fā)光體的能量轉(zhuǎn)移和經(jīng)由載流子捕獲(carriertrap)的機(jī)制而發(fā)出不同顏色的光，這樣的摻雜發(fā)光材料通常也稱為客發(fā)光體或者摻雜發(fā)光體，英文用“Dopant”表示。從發(fā)光原理角度，電致發(fā)光可以分為高場電致發(fā)光和低場電致發(fā)光。

還可以分成薄膜型電致發(fā)光材料依和分散型電致發(fā)光材料

1963年，PoPe[1]等人以電解質(zhì)溶液為電極，在蒽單晶的兩側(cè)加400V直流電壓時，觀察到了蒽的藍(lán)色EL。隨后，Helfrich[2]等人對蒽單晶的EL作了進(jìn)一步研究。由于電解質(zhì)溶液電極制作工藝復(fù)雜，1969年，Dresener[3]等人在有機(jī)EL器件中引入了固體電極。這些早期的有機(jī)EL器件，單晶難于生長，驅(qū)動電壓很高(400~2000V)，幾乎沒有實際用途，但這些早期的研究建立了對有機(jī)電致發(fā)光全過程的認(rèn)識。

1973年，Vityuk等人[4]以真空沉積的蒽薄膜替代了單晶;1982年，Vincett[5]等人使用鋁和金作為陰極和陽極、0.6μm的蒽薄膜作為發(fā)光層制作了有機(jī)EL器件，驅(qū)動電壓大大降低(30V左右)，但這時的器件壽命還很短，發(fā)光效率還很低。

真正使有機(jī)EL獲得劃時代的發(fā)展是在80年代。1987年，美國Eastman Kodak公司的Tang等人[6]以空穴傳輸效果較好的芳香二胺作為空穴傳輸層、8-羥基喹啉鋁作發(fā)光層、透明的ITO導(dǎo)電膜和鎂銀合金分別作為陽極和陰極，制作了有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)，該器件為雙層薄膜夾心式結(jié)構(gòu)，發(fā)綠光，其驅(qū)動電壓低于10V，發(fā)光效率為1.5 lm/W，發(fā)光亮度高達(dá)1000cd/m2。這種超薄平板器件以其高亮度、高效率和低驅(qū)動電壓等優(yōu)點引起了人們的極大關(guān)注。隨后，日本九州大學(xué)的Adachi[7]等人在器件中引入了電子傳輸層做成了3層夾心結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了驅(qū)動電壓并提高了器件的發(fā)光效率。

1990年，英國劍橋大學(xué)Bradley等人[8]首次用聚合物材料聚對苯乙炔PPV薄膜作為發(fā)光層制作了單層薄膜夾心式聚合物電致發(fā)光器件，器件的開啟電壓為14V，得到了明亮的黃綠光，內(nèi)量子效率約為0.05%。

1993年，Greenhma[9]等人在兩層聚合物間插入另一層聚合物實現(xiàn)了載流子匹配注入，發(fā)光內(nèi)量子效率提高了20倍，這不僅拓寬了對OLED器件機(jī)制的理解，而且預(yù)示著OLED開始走向產(chǎn)業(yè)化。

1998年，Baldo等人[10]研究發(fā)展，使用一般有機(jī)材料或采用熒光染料摻雜制備的有機(jī)發(fā)光器件，由于受自旋守恒的量子力學(xué)躍遷規(guī)律約束，其最大發(fā)光內(nèi)量子效率為25%。他們采用磷光染料八乙基卟吩鉑(PtOEP)對有機(jī)發(fā)光層材料進(jìn)行摻雜，制備出的OLED發(fā)光效率達(dá)4%，內(nèi)量子效率達(dá)23%，且發(fā)光效率隨摻雜濃度的增加而增大。

1999年，O’Brien等人[11]在研究激子傳輸規(guī)律后，提出用BCP(一種傳輸電子的有機(jī)物)做空穴阻擋層，用磷光染料PtOEP摻雜，制備出的OLED發(fā)光效率達(dá)5.6%，內(nèi)量子效率達(dá)32%。2000年8月，該研究小組又用二苯基吡啶銥(Ir (ppy)3)摻雜到TAZ或CBP(電子傳輸材料)中制備出有機(jī)發(fā)光器件的發(fā)光效率高達(dá)(15.4±0.2)%，在低亮度條件下內(nèi)量子效率接近100%[12]。