材料與元件的設計概念

1.3.1 元件方面

OLED 的元件外部量子效率( External quantum efficiency , ηext ) 可以下式表示：ηext = γ × ηr × ηf (or ηp) × ηc，其中γ 代表電子、電洞的 再結合率；ηr 代表在結合後形成激子的比率，單重態激子 25%、三重 態激子 75%；ηf (or ηp) 代表形成激子後放光的比率；ηc 代表元件出 光率。電子、電洞的再結合率(γ)，是影響 OLED 元件發光量子效率

的一項重要因素，因此使元件中的電子、電洞更平衡，讓 γ 值趨近於

1.0，是提高量子效率的最佳方式。早期所使用的單層結構 OLED 元 件，因為電子、電洞在同一種有機材料的傳輸速度不同，要使等量的 電子與電洞同時注入元件是件困難的事，所以的 OLED 元件演進成 為多層結構，利用多層膜的方式修正其單極化(unipolar)的傳導性，使 載子傳輸更加平衡。

因此在探討白光磷光元件效率時，除了考量元件能階匹配以增加 載子注入之外，我們也必須考慮載子在有機薄膜中的傳輸能力；為了 使發光層內的載子更加平衡，減少未再結合的電子、電洞洩漏至對電 極，我們通常會採用具雙載子傳輸特性的材料做為發光層主體，平衡 載子及增加載子傳輸能力，進而提升電子、電洞再結合率，提高元件 的發光效率且又可降低驅動電壓，而使用此雙載子傳輸的主體材料還

可以簡化元件結構，使製程成本降低。

1.3.2 主體材料設計方面

雙載子材料是同時導入推、拉電子基，然而由於一個分子中若同 時擁有推、拉電子基，其分子內的 donor-acceptor 作用會降低分子的 三重激發態能量，因此在設計雙極性有機磷光主體材料時，必須減少 分子內推、拉電子基間的作用，避免三重激發態能量的下降，這樣才 能得到能同時促進電子、電洞傳遞並具有高三重激發態能量的有機磷 光主體材料。不過為了保有高的三重激發態能量，通常都會設計成小 分子量的材料，而這卻會造成材料的熱穩定性下降，熱穩定性差的材 料會影響元件壽命，所以還必須兼顧熱穩定性的需求。

在 2008 年由郭文章教授發表的文獻中 ^[11]，提出將具有電子傳遞 特性三甲基苯硼基(trimesitylboron)導入咔唑(carbazol)分子合成一系 列的螢光材料(圖 1-4)，咔唑基團早已被廣泛應用在磷光主體材料上

[11,12]，因其具備相當高三重態能量(3.19eV)、良好的螢光效率、電洞

傳遞特性 ^[13,14,15]，而且其剛硬性質可提升材料的熱穩定性^[13,16]，最為 關鍵的是咔唑為較弱的推電子基^[17]，因此再搭配具有高立體障礙的三 甲基苯硼基作為拉電子基^[18]，可增加分子的扭轉，進而降低雙極性分 子內推、拉電子基團間的作用，而提高三重激發態能量，且此高立體 障礙的基團也可降低分子間的堆疊，使材料能保有高的螢光效率，並

且對熱穩定性也有幫助。所以這個組合可做成不錯的雙載子傳輸主體 材料，如 2012 年台大汪根欉教授所發表的文獻^[19]，有效避免分子的 堆疊 (圖 1-5)，並維持高的三重激發態(2.9eV)。

本論文所使用的雙極性載子傳輸特性的材料，這一系列材料包含 推電子基的咔唑(carbazol)和拉電子基的三甲基苯硼基(triarylboron)兩 種分子基團，依其三甲苯硼基連接在咔唑的位置，命名為 NPBC (圖 1-6)， NPBC 是由 CzPhB 所改良而分子的共振長度，使三重激發態 能量提高，預期應會有不錯的效果。

本論文將以昇華純化技術去除材料雜質，降低主動層內的載子陷 阱濃度，材料部份於實驗材料介紹，以熱蒸鍍製程方式製作有機電激 發光元件，藉由調整元件的結構，平衡電子與電洞兩種載子於元件中 的比例，以提高元件電光轉換效率，達到元件最佳化，並探討不同分 子結構與其元件表現間的關係。

圖 1-4 咔唑衍生物及其物理/光物理特性 ^[11]

圖 1-5 CMesB 分子結構及固態下堆疊情況 ^[19]

N B

圖 1-6 含硼雙極性載子傳輸主體材料分子結構 NPBC