什么是电致发光？如何实现电致发光？

电致发光(英文electroluminescent)，又可称电场发光，简称EL，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子在能级间的跃迁、变化、复合导致发光的一种物理现象。电致发光物料的例子包括掺杂了铜和银的硫化锌和蓝色钻石。电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。电致发光板是以电致发光原理工作的。电致发光板是一种发光器件，简称冷光片、EL灯、EL发光片或EL冷光片，它由背面电极层、绝缘层、发光层、透明电极层和表面保护膜组成，利用发光材料在电场作用下产生光的特性，将电能转换为光能。

电致发光(电场发光，EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，一般认为是在强电场作用下，电子的能量相应增大，直至远远超过热平衡状态下的电子能量而成为过热电子，这过热电子在运动过程中可以通过碰撞使晶格离化形成电子、空穴对，当这些被离化的电子、空穴对复合或被激发的发光中心回到基态时便发出光来.

人类对光明的渴望与追求，从来没有停止过。历史上人类对于各种人造光源不懈的创造与发明，正是这种渴望与追求的体现。从最初的钻燧木取火，到现在随处可见的发光二极管(LED/OLED)，再到将来的人造太阳(可控核聚变)，人类无限的想象力和创造力正在源源不断的倾注到这种渴求中。这里我们要聊的就是各种人造光源中的重要一员，电致发光。

(题图中的照片是一家芬兰公司Tasel展示的全透明电致发光显示器件)

电致发光，英文叫做Electroluminescence。 这个合成词中，electro-的前缀指的是“与电子/电场相关的”。后面的luminescence很有意思，它特别是指“冷光”，就是那些不伴随发热过程而产生的光，与平时我们更常见到“白炽”(incandescence)光相对。而后者通常指代那些伴随光源(比如普通灯泡里的钨丝)剧烈发热过程而产生的光。维基百科的解释是【1】， 电致发光同时是一种光学和电学现象，指物质在电流通过时或者处于电场中时的发光现象。这种现象是区别于白炽发光(incandescence)、 化学发光(chemiluminescence)、声致发光(sonoluminescence) 和其它基于力学性质的应力发光(mechanoluminescence)等现象的。

电致发光又称场致发光，电致发光现象是指电能直接转换为光能的一类发光现象，它包括注入式电致发光和本征型电致发光。

(1)注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管(LED);

(2)本征型电致发光：又分为高场电致发光与低能电致发光。其中高场电致发光是荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰接发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。

从发光原理电致发光可以分为高场电致发光和低场电致发光。高场电致发光是一种体内发光效应。发光材料是一种半导体化合物，掺杂适当的杂质引进发光中心或形成某种介电状态。当它与电极或其他介质接触时，其势垒处于反向时，来自电极或界面态的电子，进人发光材料的高场区，被加速并成为过热电子。它可以碰撞发光中心使之被激发或被离化，或者离化晶格等。再通过一系列的能量输运过程，电子从激发态回到基态而发光。低场电致发光又称为注人式发光，主要是指半导体发光二极管(LED)。1960 年人们发现GaAs的p-n结二极管，在正向偏压下，发生少数载流子注入，并在p-n结附近，两种载流子发生复合而发光。由于这种半导体材料禁带较窄，发出的是红外光。随后，利用这一原理，不断开拓较宽禁带的半导体材料GaP，GaInP，GaAlAs，GaN等等，陆续研制成红色、黄色、绿色和蓝色的发光二极管。近年来，在电致发光领域，有机薄膜电致发光异军突起。一般认为,有机电致薄膜发光过程由以下5 个步骤：

(1) 载流子的注入。在外加电场的作用下,电子和空穴分别从阴极和阳极向夹在电极之间的有机功能薄膜层注入。电子从阴极注入到有机物的最低未占据分子轨道(LUMO )，而空穴从阳极注入到有机物的最高占据分子轨道(HOMO) 。

(2) 载流子的迁移。注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移。

(3) 载流子的复合。电子和空穴结合产生激子。

(4) 激子的迁移。激子在有机固体薄膜中不断地作自由扩散运动,并以辐射或无辐射的方式失活。

(5) 电致发光。当激子由激发态以辐射跃迁的方式回到基态,就可以观察到电致发光现象,发射光的颜色是由激发态到基态的能级差所决定的。

电致发光器件的基本结构属于夹层式结构,激发光层被两侧电极像三明治一样夹在中间,一侧为透明电极以便获得面发光。由于阳极功函数高可以提高空穴注入效率,所以一般使用的阳极多为氧化铟-氧化锡(ITO)。在ITO上再用蒸发蒸镀法或旋转涂层法制备单层或多层膜,膜上面是金属阴电极,由于金属的电子逸出功影响电子的注入效率,因此要求其功函数尽可能低。现以目前研究较多较热的有机电致发光器件为例进行说明

大多数有机电致发光材料是单极性的,同时具有均等的空穴和电子传输性质的有机物很少,一般只具有传输空穴的性质或传输电子的性质。为了增加空穴和电子的复合几率,提高器件的效率和寿命,OLED的结构从简单的单层器件发展到双层器件、3 层器件甚至多层器件。因为采用这种单极性的有机物作为单层器件的发光机材料,会使电子与空穴的复合自然地靠近某一电极,当复合区越靠近这一电极,就越容易被该电极所淬灭,而这种淬灭有损

于有机物的有效发光,从而使OLED发光效率降低。而采用双层、3 层甚至多层结构的OLED,能充分发挥各功能层的作用,调节空穴和电子注入到发光层的速率,只有使注入的电子和空穴在发光层复合,才能提高器件的发光效率。由于大多数有机物具有绝缘性,只有在很高的电场强度下才能使载流子从一个分子流向另一个分子,所以有机膜的总厚度不能超过几百纳米,否则器件的驱动电压太高,会失去LED的实际应用价值。

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从发光材料角度,可将电致发光分为无机电致发光和有机电致发光。无机电致发光材料一般为等半导体材料。有机电致发光材料依据有机发光材料的分子量的不同

可以区分为小分子和高分子两大类。小分子OLED材料以有机染料或颜料为发光材料，高分子OLED材料以共轭或者非共轭高分子(聚合物)为发光材料，典型的高分子发光材料为PPV及其衍生物。

有机电致发光材料依据在OLED器件中的功能及器件结构的不同，又可以区分为空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、发光层(EML)、电子传输层(ETL)、电子注入层(EIL)等材料。其中有些发光材料本身具有空穴传输层或者电子传输层的功能，这样的发光材料也通常被称为主发光体;发光材料层中少量掺杂的有机荧光或者磷光染料可以接受来自主发光体的能量转移和经由载流子捕获(carriertrap)的机制而发出不同颜色的光，这样的掺杂发光材料通常也称为客发光体或者掺杂发光体，英文用“Dopant”表示。从发光原理角度，电致发光可以分为高场电致发光和低场电致发光。

还可以分成薄膜型电致发光材料依和分散型电致发光材料

1963年，PoPe[1]等人以电解质溶液为电极，在蒽单晶的两侧加400V直流电压时，观察到了蒽的蓝色EL。随后，Helfrich[2]等人对蒽单晶的EL作了进一步研究。由于电解质溶液电极制作工艺复杂，1969年，Dresener[3]等人在有机EL器件中引入了固体电极。这些早期的有机EL器件，单晶难于生长，驱动电压很高(400~2000V)，几乎没有实际用途，但这些早期的研究建立了对有机电致发光全过程的认识。

1973年，Vityuk等人[4]以真空沉积的蒽薄膜替代了单晶;1982年，Vincett[5]等人使用铝和金作为阴极和阳极、0.6μm的蒽薄膜作为发光层制作了有机EL器件，驱动电压大大降低(30V左右)，但这时的器件寿命还很短，发光效率还很低。

真正使有机EL获得划时代的发展是在80年代。1987年，美国Eastman Kodak公司的Tang等人[6]以空穴传输效果较好的芳香二胺作为空穴传输层、8-羟基喹啉铝作发光层、透明的ITO导电膜和镁银合金分别作为阳极和阴极，制作了有机发光二极管(OLED)，该器件为双层薄膜夹心式结构，发绿光，其驱动电压低于10V，发光效率为1.5 lm/W，发光亮度高达1000cd/m2。这种超薄平板器件以其高亮度、高效率和低驱动电压等优点引起了人们的极大关注。随后，日本九州大学的Adachi[7]等人在器件中引入了电子传输层做成了3层夹心结构，进一步降低了驱动电压并提高了器件的发光效率。

1990年，英国剑桥大学Bradley等人[8]首次用聚合物材料聚对苯乙炔PPV薄膜作为发光层制作了单层薄膜夹心式聚合物电致发光器件，器件的开启电压为14V，得到了明亮的黄绿光，内量子效率约为0.05%。

1993年，Greenhma[9]等人在两层聚合物间插入另一层聚合物实现了载流子匹配注入，发光内量子效率提高了20倍，这不仅拓宽了对OLED器件机制的理解，而且预示着OLED开始走向产业化。

1998年，Baldo等人[10]研究发展，使用一般有机材料或采用荧光染料掺杂制备的有机发光器件，由于受自旋守恒的量子力学跃迁规律约束，其最大发光内量子效率为25%。他们采用磷光染料八乙基卟吩铂(PtOEP)对有机发光层材料进行掺杂，制备出的OLED发光效率达4%，内量子效率达23%，且发光效率随掺杂浓度的增加而增大。

1999年，O’Brien等人[11]在研究激子传输规律后，提出用BCP(一种传输电子的有机物)做空穴阻挡层，用磷光染料PtOEP掺杂，制备出的OLED发光效率达5.6%，内量子效率达32%。2000年8月，该研究小组又用二苯基吡啶铱(Ir (ppy)3)掺杂到TAZ或CBP(电子传输材料)中制备出有机发光器件的发光效率高达(15.4±0.2)%，在低亮度条件下内量子效率接近100%[12]。