眾所周知，OLED顯示器不需要背光源，在通電的情況下OLED材料可以主動發(fā)出紅綠藍三色光。那OLED發(fā)光的原理是什么呢？
首先上一張大家已經(jīng)看膩的圖：OLED器件結(jié)構(gòu)。
OLED器件結(jié)構(gòu)（來源：百度百科）
從圖中可以看出，OLED器件自下而上分為：
玻璃基板（TFT）、陽極、空穴注入/傳輸層、有機發(fā)光層、電子注入/傳輸層和金屬陰極（順便吐槽一下百度百科里各層名字的叫法。。。）
發(fā)光的部位在器件中間的有機發(fā)光層（再具體點就是發(fā)光層中的摻雜材料），發(fā)光機理如下圖所示：
有機發(fā)光層的發(fā)光機理（來源：網(wǎng)絡(luò)）
OLED器件是電流驅(qū)動型，在通電的情況下，空穴從陽極進入器件，穿過空穴注入/傳輸層，電子從陰極進入器件，穿過電子注入/傳輸層，兩者最終到達有機發(fā)光層。
接下來要講解的內(nèi)容可能會比較生澀，為便于不同層次讀者的理解，小編用不同的內(nèi)容分成基礎(chǔ)班和進修班，請各位讀者對號入座。
基礎(chǔ)班：
空穴和電子在發(fā)光層中相遇，然后復(fù)合，形象一點講的話，就像久未相見的戀人，一見面便緊緊抱在一起；
電子空穴復(fù)合時會產(chǎn)生能量，釋放出光子，你可以將光子理解為下圖中情侶頭上的心形；
我們能看見的光是由無數(shù)的光子組成，就像情侶頭上不斷冒出的小心心；
光的顏色由光子的能量決定，如果能量的高低用情侶的親密程度比喻的話：特別親密的發(fā)出藍色（能量高發(fā)出藍光），比較親密的發(fā)出綠色（能量適中的發(fā)出綠光），一般親密的發(fā)出紅色（能量低的發(fā)出紅光）。
進修班：
在講解OLED發(fā)光原理之前，我們先學(xué)習(xí)一個概念：能級；
能級：原子核外電子的狀態(tài)是不連續(xù)的，因此各狀態(tài)對應(yīng)的能量也是不連續(xù)的，這些能量值就是能級；
能級就像樓梯的臺階，只存在1階、2階這樣的整數(shù)，不會出現(xiàn)諸如1.5階、2.1階這樣的情況，能級的示意圖如下；
能級（來源：百度百科）
在正常狀態(tài)下，原子處于最低能級，即電子在離核最近的軌道上運動，這種狀態(tài)稱為基態(tài)；
原子吸收能量后，電子會從基態(tài)跑到較高能級，即電子在較遠的軌道上運動，這種狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)；
電子在不同能級之間的轉(zhuǎn)換稱為躍遷，從低能級向高能級躍遷需要吸收能量，而從高能級躍遷回低能級則會放出能量；
了解能級的概念后，我們來看一下OLED發(fā)光材料的能級是什么樣子：
S0表示的是基態(tài)能級，S1、S2和T1表示的是激發(fā)態(tài)能級，有機材料發(fā)光的過程，就是電子從高能級躍遷到低能級釋放能量的過程（S1-->S0或T1-->S0），這個釋放出的能量，就是可見光；
所以O(shè)LED發(fā)光的整個過程如下：
1. 電子和空穴在發(fā)光層中相遇時，會產(chǎn)生復(fù)合效應(yīng)；
2. 復(fù)合的過程中產(chǎn)生激子，激子在電場的作用下遷移，將能量轉(zhuǎn)移給發(fā)光層中的摻雜材料；
3. 摻雜材料中的電子吸收能量后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài);
4. 因為激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，電子會從激發(fā)態(tài)再次躍遷回基態(tài)，同時釋放出能量，產(chǎn)生光子。
根據(jù)發(fā)光材料激發(fā)態(tài)能級的不同，電子在躍遷回基態(tài)的過程中釋放出不同能量的光子，根據(jù)公式E=hv，能量決定光的波長，而波長意味著光的顏色。
有機發(fā)光層的發(fā)光機理（來源：網(wǎng)絡(luò)）
前面講到了OLED材料發(fā)光的大致原理，下面我們來看一下OLED材料的分類。
在講解之前，我們必須學(xué)習(xí)兩個概念：
電子自旋量子數(shù)和電子激發(fā)態(tài)多重度。
首先是電子自旋量子數(shù)：
如果把原子比作太陽系的話，原子核是太陽，電子就是行星。
與行星類似，電子在圍繞原子核運動的時候（并不是公轉(zhuǎn)哦，而是隨機的位置閃現(xiàn)，形成云狀），本身也在自轉(zhuǎn)（嚴格講也不是自轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的效果等同于自轉(zhuǎn)）。
根據(jù)史特恩-格拉赫實驗測量得出，電子自旋量子數(shù)的值為1/2或-1/2（單位是h/2Pi，h是普朗克常量）
注：括號里的話看看就行，不要試圖深入理解，因為這些屬于大殺器《量子力學(xué)》的內(nèi)容。
然后是電子激發(fā)態(tài)多重度：
電子激發(fā)態(tài)的多重度用M=2s+1表示，s為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和（代數(shù)和沒有負數(shù)），即ms1+ms2，數(shù)值為0（1/2+負1/2）或1（1/2+1/2）。
根據(jù)泡利不相容原理，分子中同一軌道所占據(jù)的兩個電子必須具有相反的自旋方向，即自旋配對。
假如分子中全部軌道里的電子都是自旋配對的（1/2配負1/2），即s=0，分子的多重度M=1，該分子體系便處于單重態(tài)，用符號S表示，大多數(shù)有機物分子的基態(tài)處于單重態(tài)。
電子躍遷時如果還伴隨自旋方向的改變，分子便有了兩個自旋不配對的電子，即s=1（1/2+1/2），分子的多重度M=3，該分子體系處于三重態(tài)，用符號T表示。
多重態(tài)示意圖，上下箭頭表示電子自旋方向
（上圖摘自網(wǎng)絡(luò)，下圖摘自O(shè)Fweek）
根據(jù)洪德定則，處于分立軌道上的非成對電子，平行自旋要比成對自旋更穩(wěn)定些，因此三重態(tài)能級總是比相應(yīng)的單重態(tài)略低（可從能級圖上看出來）。
能級圖全貌，不用理解里面全部內(nèi)容（來源：網(wǎng)絡(luò)）
單重態(tài)和三重態(tài)指的是兩個自旋電子不同的耦合狀態(tài)，是通過復(fù)雜的計算得出的。詳細的就不講了，下面是三重態(tài)的耦合狀態(tài)公式，你們體驗一下。
好啦，課前知識學(xué)習(xí)就到這里，下面我們來看一下OLED材料的分類。
按發(fā)明時間，OLED材料分為三代：熒光材料、磷光材料和熱激活延遲材料（TADF），其中熒光材料和磷光材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到OLED量產(chǎn)中，而TADF材料目前還不成熟，但正在向量產(chǎn)的目標努力。
三種材料的原理示意圖（來源：天極網(wǎng)）
由于篇幅有限（其實是小編時間有限），這一節(jié)我們先講熒光材料和磷光材料，TADF材料下一節(jié)再講。
上一節(jié)講到，電子空穴復(fù)合產(chǎn)生的激子會將能量轉(zhuǎn)移給有機材料分子中的電子，這些電子吸收能量后會躍遷到激發(fā)態(tài)。而電子的激發(fā)態(tài)有單重態(tài)和三重態(tài)之分，算起來一共四種狀態(tài)，大家本著平均主義原則，獲得相同數(shù)量的電子，即單重態(tài)獲得25%，三重態(tài)獲得75%。
熒光和磷光的區(qū)別為：單重態(tài)電子躍遷到基態(tài)發(fā)出的光是熒光，三重態(tài)電子躍遷到基態(tài)發(fā)出的光是磷光，如下圖所示。
ISC為隙間跨越，即電子從單重態(tài)變成三重態(tài)，或從三重態(tài)變成基態(tài)
對熒光材料來講，處于三重態(tài)的電子躍遷時并不發(fā)光，而是隙間跨越到基態(tài)或釋放熱量，所以熒光材料只能依靠25%的單重態(tài)電子發(fā)光，這也就是為什么熒光材料的發(fā)光效率只有25%（專業(yè)講法為內(nèi)量子效率）。
而磷光材料發(fā)出的光是三重態(tài)上的電子躍遷時發(fā)出的，當三重態(tài)上的電子躍遷完之后，單重態(tài)上的電子還可以通過ISC到達三重態(tài)，并最終從三重態(tài)躍遷回基態(tài)，也就是說磷光材料里所有的激發(fā)態(tài)電子都可以發(fā)光，內(nèi)量子效率為100%。
目前量產(chǎn)的OLED三原色中，紅色和綠色都是磷光材料，只有藍色是熒光材料，所以藍色的效率一直是很大的問題。因為實在做不出深藍色的磷光材料，科學(xué)家們只好通過其他方式來提高藍色的發(fā)光效率，其中最有前景的便是TADF材料。
熒光材料受激發(fā)后發(fā)出的光會快速衰減直至熄滅，這是因為處于單重態(tài)的電子不需調(diào)整自旋方向便可返回基態(tài)，這很符合泡利不相容原理，所以躍遷速度很快。而磷光材料剛好相反，受激發(fā)之后會持續(xù)發(fā)光一段時間，效果如同夜明珠。
單重態(tài)的電子因為自旋相反，很容易躍遷
對于磷光材料，三重態(tài)電子與基態(tài)電子自旋相同，有的電子并沒有那么想躍遷，所以速度不快，有延遲發(fā)光的特點。
熒光材料的內(nèi)量子效率最高只有25%，是因為其三重態(tài)有躍遷禁戒（即處于三重態(tài)的電子無法和基態(tài)的電子形成自旋軌道耦合，向基態(tài)躍遷違反泡利不相容原理），所以電子無法以發(fā)光的形式躍遷回基態(tài)，通常以熱量的形式釋放能量。
但如果在有機分子中加入一個重金屬（例如Ir、Pt、Re等，其中Ir具有較短的三線態(tài)壽命,在室溫下有較高的發(fā)光效率和較強的磷光被廣泛用于磷光材料中），可在有機材料內(nèi)形成較強的自旋軌道偶合效應(yīng)，使電子從三重態(tài)躍遷回基態(tài)成為可能（普林斯頓大學(xué)教授Forrest在1997年發(fā)現(xiàn)）。
磷光材料利用了75%的三重態(tài)能量，所以內(nèi)量子效率理論上可以達到100%，這有利于降低器件電力能耗、減少熱量產(chǎn)生、提高器件穩(wěn)定性和延長器件使用壽命。磷光材料性能雖好，但Ir這種重金屬儲量非常有限，價格貴的要死還污染環(huán)境。
（安達教授曾在普林斯頓大學(xué)師從Forrest教授，真是名師出高徒）
在介紹TADF之前，還有兩個技術(shù)要說一說，看看就行不用深究。
① TTA（triple-tripleannihilation）：利用電子在三重態(tài)的湮滅效應(yīng)，提高單重態(tài)電子的總量，具體來講就是兩個三重態(tài)的電子相互湮滅，生成一個基態(tài)電子和一個單重態(tài)電子，然后這個生產(chǎn)的單重態(tài)的電子再躍遷回基態(tài)發(fā)出熒光，TTA在上世紀60年代就有人研究，理論極限效率62.5%，后來TTA技術(shù)一直沒有實用化，如今有了100%轉(zhuǎn)換效率的TADF技術(shù)，TTA就更無人問津了。
② 2000年左右有篇《Nature》文章，提到通過改變有機分子結(jié)構(gòu)，使單重態(tài)的捕獲界面和三重態(tài)的捕獲界面比達到57：43，而不是通常的25：75，所以單重態(tài)得到電子的概率從25%提到了57%，發(fā)出熒光的效率理論上也達到57%。
上述兩個技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率都在60%左右，可知TADF接近100%的轉(zhuǎn)換效率是多么吸引人。TADF材料的發(fā)光原理總結(jié)成一句話就是：處于三重態(tài)的電子可以高效的通過逆系間跨越回到單重態(tài)，并從單重態(tài)躍遷回基態(tài)并發(fā)出熒光。
