2-1 有機電激發光能量轉移機制
目前有機電激發光一般皆是以主體(Donor, D)與摻雜客體
(Acceptor, A)來製成的，藉由主體能量轉移給客體來發光，摻雜之客 體除了可以提高發光效率之外，也可以用來改變發光的顏色[20]。能 量轉移的機制[21]可分為放射能量轉移(Radiative Energy Transfer)與 非放射能量轉移(Nonradiative Energy Transfer)，而後者又可分為 Förster Transfer(庫侖力)與 Dexter Transfer(電子交換)兩種形式。
2-1-1 Förster 能量轉移機制
Förster能量轉移機制中如圖2-1所示，當激態的主體產生出能量 時，它的能量是經由強烈的庫侖靜電力傳給客體的。這類型能量轉移 的好處在於偶極–偶極(Dipole-Dipole)間作用力的距離較長，這一類型 能量轉移的有效距離可以達到50 Å以上。在這個機制中，主體和客體 的自旋量子數(Spin)都必須一直是守恆的。因此，可允許的遷移 (Allowed Transitions)形式為：
1D* +1 A →1D + 1A*
1D* +3 A →1D + 3A*
上二式中的1與3代表的是單重激發態和三重激發態。其中單重激發態 到三重激發態的轉移是不允許的(Forbidden)。
3D* +1 A →1D + 1A*
圖2-1 Förster能量轉移機制[22]
1948年Förster 導出了速率常數：
ε
A：莫耳吸光係數(Extinction Coefficient)ν：波數，單位(cm
-1)R：主體和客體之間距離
κ為：位向因子(Orientation Factor)
θDA：主體和客體兩分子之躍遷矩向量(Transition Moment Vector)之夾
子產率(Fluorescence Quantum Yield)並且由Eq. (1)與Eq. (3)式可得：
ν ν
4. 除了介電遮蔽(Dielectric Shielding)外，分子不與溶劑或介質產生 作用。
5. 轉移發生之前，激態客體之振動態分布(Vibrational Distribution) 間已達成熱平衡(Thermal Equilibrium)忽略由高振動或電子態進 行能量轉移之可能性。
6. 主體和客體內之躍遷均為允許的(Allowed)。
7. 螢光和吸收光譜均因碰撞寬化(Collision Broadening)而具連續性。
8. 主體躍遷(Transition)之振盪強度(Oscillator Strength)與客體分子 分佈和數目無關。
9. 一激態主體分子和所有客體分子之轉移速率具有加成性。
10. 當激發能量由一主體轉移至一客體過程中，忽略另一客體位於此 反 應 途 徑 上 之 可 能 性 。 此 項 在 高 濃 度 或 蛋 白 質 分 子 內 (Intramolecular)能量轉移時，或許是一項重要考量。
11. 雖客體分子不能佔據給予體體積之空間，但並無針對此項限制作 校正。
12. 激態主體或客體之數目遠小於基態之數目。
13. 相對於客體，激態主體仍不規則分布(Randomly Distributed)。
14. 忽略主體-主體(Donor-Donor)交互作用。此項限制了主體之濃度，
且抑制了Excimer之生成。一般而言，除了上述限制之外，客體分
子之振動緩解(Vibrational Relaxation)速率必須比能量轉移速率 快，否則反向轉移(Back Transfer)將與振動緩解競爭而使方程式變 得不正確，此現象在分子距離很小時須特別注意。
2-1-1 Dexter 能量轉移機制
Dexter 能量轉移機制則是透過電子交換的方式來達到能量轉 移，因此它的發生距離只有10 Å~15Å 左右，如圖 2-3 所示。發生的 條件是整個系統的自旋量子數必須守恆。另外，在Förster 能量轉移 機制所不被允許的三重態–三重態能量轉移，在 Dexter 能量轉移機制 中便為被允許的。因此Dexter 能量轉移適合單重態-單重態，與三重態 -三重態間之轉移。
3D* +1 A →1D + 3A*
圖2-3 Dexter能量轉移機制[22]
2-2 白光有機電激發光元件
極少有單一分子材料具白光的特性，由於白光發光團必須要有一 個極寛的光譜，從450nm 一直要延伸到 650nm。一般要將各種光的 顏色混合而成，例如混合二互補色可以得到二波段型白光，或混合 紅、藍、綠三原色得到三波型白光。另外，就元件結構的設計上，主 要有兩種方式，分別為多摻雜單發光層與多重發光層元件。
2-2-1 多摻雜單發光層白光有機電激發光元件
製作白光 OLEDs 的其中一個方式便是將多個摻雜物依適當比例 摻雜於一主發光層中，此一結構好處為白光光色在元件操作期間可能 不會改變，但是會有不同摻雜物光色老化的問題。例如，美國Kodak 公司所提出來的白光結構ITO/CuPc(150Å)/NPB/
Host-H5:Dopant-D5(1:0.05%,375Å)/Alq3(375Å)/Mg:Ag(10:1, 2000Å) [23]，藍光由 Host 發出，紅光由 Dopant 發出，元件實驗數據如下：
在20 mA/cm2的電流密度下，可以發出522 cd/m2的亮度。
2-2-2 多重發光層白光有機電激發光元件
白光 OLEDs 通常由數個有機層所構成，有些具有電動或電子的 傳導功能，有些是電荷阻擋，而有些則是激子的再結合層。激子的再 結合區藉由改變任一不同功能的有機層厚度或是摻雜比例來控制，進 而控制紅、綠、藍光發光層的放光比例來達到適當的白光光色。例如，
韓國世宗大學Dong Il Kim 的研究團隊發表的三層發光(三原色)混白 光的元件結構 [24]，元件 1：Mg:Ag/Alq3/Alq3:DCJTB(紅光)/Alq3 (綠 光)/DPVBi(藍光)/α-NPD/ITO，另一種則以 DPVBi 取代 Alq3做為Host 的元件2：Mg:Ag/Alq3/DPVBi:DCJTB(紅光)/Alq3(綠光)/DPVBi (藍 光)/α-NPD/ITO。元件 1 與元件 2 的特性幾乎完全相同，它們的最佳 化白光條件同樣在40 mA/cm2電流密度下，此時元件1 亮度為 690 cd/m2，元件2 則是 710 cd/m2，CIE 座標同樣是落在 (0.33, 0.33)。
2-2-3 利用活化雙體與活化錯合物的白光有機電激發光元件
活化雙體與活化錯合物都沒有固定的基態，因此產生了一種獨特 的方式可使能量有效率的由主發光體傳至發光中心。因為活化雙體不 具有固定的基態，故能量無法由主發光體和高能量(藍光)的摻雜物傳 送給低能量(活化雙體橘光)的摻雜物，複雜的分子間作用力也可以消 除多個摻雜物所造成的光色均衡問題。因此僅需最多兩個摻雜物即可 形成包含整個可見光區的放射。例如，國立清華大學陳壽安教授所提 出的白光有機電激發光元件結構ITO/PVK/C120-PPP/Ca/Ag [25]，因 為在製程中C120-PPP 採用甲苯為溶劑，在塗佈的時候 PVK 和 C120-PPP 二種高分子層間介面，會產生互混情形(Mixing)，於是在 激發過程時，互混的介面會生成Exciplex，因此雖然 PVK 以及
發光範圍則涵蓋400 至 700nm，而形成白光。
2-3 研究動機
在有機電激發光二極體元件中，白光元件的應用範圍最為廣泛，
主要有全彩化平面顯示器(搭配彩色濾光片)以及照明兩大方向。而白 光元件的結構又分為多摻雜單發光層白光發光元件與多重發光層白 光發光元件兩種。其中，多摻雜單發光層白光發光元件的優點為結構 簡單，僅單一發光層，故光色並不會隨電壓的增加而有太大的改變；
但是摻雜物的濃度控制相當困難，在量產上具有製程窗口較窄的問 題。而多重發光層白光發光元件的優點為製程較簡單，僅需控制薄膜 的厚度就可以調變光色，在量產上具有製程窗口較寬的優勢；但是缺 點為結構複雜，光色容易因電壓的變化而改變。
本論文的目標為製作出三發光層白光發光元件，利用三發光層來 得到較寬廣的發光光譜，藉由較容易的厚度調變方式來得到正確的光 色，同時克服多重發光層白光發光元件之光色容易因電壓而變化的缺 點。
而最終的目標則是製作出可同時應用於全彩化平面顯示器(具備 高半波寬)以及照明(具備高亮度及色純度)的白光有機電激發光元件。