《基于超薄发光层的有机发光二极管器件的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于超薄发光层的有机发光二极管器件的研究（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于超薄发光层的有机发光二极管器件的研究 杨帅 董丹 何谷峰 上海交通大学电子工程系 TFT-LCD 关键材料及技术国家工程实验室 摘 要： 文章采用具有电子捕捉能力的橙红色磷光材料 iridium () bis (2-methyldibenzo-f, hquinoxaline) (acetylacetonate) (Ir (MDQ) 2 (acac) ) 作为超薄发光层应用于有机发光二极管中。通过对其厚度的优化, 发现当发光层厚度为 0.1nm 时, 器件性能最好, 最大电流效率达到了 28.1cd/A, 明显优于采用掺杂发光层的器件。分析了发光材料的载流子捕捉作用对器件载流子平衡及器件电流
2、效率的影响, 发现超薄发光层结构几乎不改变器件的电学特性, 不会进一步破坏器件载流子平衡, 正因如此, 大多数磷光材料都可以采用超薄发光层获得很高的效率。关键词： 有机发光二极管; 超薄发光层; 载流子捕捉; 电流效率; 作者简介：杨帅 (1992-) , 男, 浙江东阳人, 硕士生, 主要研究方向为有机发光二极管。E-mail:收稿日期：2017-05-18基金：国家自然科学基金项目 (61377030, 61675127) Study on Organic Light-Emitting Diodes Based on Ultrathin Non-doped EmittersYANG Shu
3、ai DONG Dan HE Gufeng National Engin.Lab for TFT-LCD Materials and Technol., Dept.of Electronic Engin., Shanghai Jiaotong University; Abstract： Electron-trapping phosphorescent emitter, iridium () bis (2-methyldibenzo-f, hquinoxaline) (acetylacetonate) (Ir (MDQ) 2 (acac) ) , was adopted as the ultra
4、thin non-doped emissive layer (EML) in organic light-emitting diode (OLED) .The maximum current efficiency reached 28.1 cd/A when the thickness of the ultrathin non-doped EML was optimized to 0.1 nm, which is much higher than those of doped EML devices.By analyzing the influence of chargecarrier tra
5、pping property of emissive material on charge-carrier balance and current efficiency of the device, it was found that the ultrathin non-doped EML structure does not alter the electrical characteristics of the devices and will not destroy the charge carrier balance, hence most phosphorescent dyes can
6、 achieve high efficiency.Keyword： OLED; ultrathin non-doped EML; charge-carrier trapping; current efficiency; Received： 2017-05-180 引言有机发光二极管 (Organic Light Emitting Diode, OLED) 属于载流子双注入型自发光器件, 其大致的发光机理为:在外界电场的驱动下, 电子和空穴分别由阴极和阳极注入到有机电子传输层 (Electron-Transporting Layer, ETL) 和空穴传输层 (Hole-Transporting
7、 Layer, HTL) , 并在有机发光层 (Emissive Layer, EML) 中复合生成激子, 激子辐射跃迁回到基态并发光1-3。因其具有宽视角、超薄、响应快、发光效率高及可实现柔性化等优点, 在照明和显示领域备受科研界和产业界的关注4-5。主客掺杂发光体 (Host-Guest Doped Emitter) 系统6的发明是推动 OLED 发展的关键技术之一, 将载流子传输材料和发光材料的分子设计独立出来7。但是 OLED 成本居高不下, 一个重要原因就是其制造工艺过于复杂, 尤其是多重掺 (MultipleDoped) 的器件, 很难同时准确控制及维持各发光材料的蒸镀速率。在使用
8、超薄发光层时, 因为发光层超薄, 以低速率蒸镀, 器件精度相对更容易控制, 并且不会显著影响器件的电流特性8, 同掺杂体系中的发光材料一样并不需要其具有优越的载流子传输能力。而且在超薄发光层结构中, 一般会将薄层放置在 HTL 与 ETL 之间, 由于 HTL 和ETL 薄膜表面粗糙程度通常大于超薄发光层厚度, 器件会形成类似共掺杂 (Co-Host) 的效果9, 一定程度上扩大了载流子结合区, 减少了三重态-三重态湮灭 (Triplet-Triplet Annihilation, TTA) 和发光层内极化子对激子的猝灭 (Triplet-Polaron Quenching, TPQ) 等激子
9、淬熄效应, 而在制造工艺上相对于掺杂结构明显简单了很多。基于超薄发光层的磷光器件在发光效率上目前已经可以与掺杂体系器件相匹敌8。中国科学院长春应用化学研究所的马东阁教授课题组对超薄发光层的应用做过一系列研究10, 发现绝大多数磷光材料都适用于超薄发光层这一结构, 可以获得较高的发光效率, 而掺杂体系器件的掺杂材料 (Dopant) 对主体材料 (Host) 表现出很强的选择性, 有的磷光材料掺杂在 HTL 中和掺杂在 ETL 中时, 器件的效率有非常显著的差异。本文讨论了器件主要结合区位置及载流子分布情况, 然后将超薄发光层器件与掺杂器件做了对比, 发现发光材料的载流子捕捉作用对掺杂器件的发光
10、效率有着较大影响, 是掺杂器件选择主体材料的一个重要依据。1 实验1.1 器件制备通过真空蒸镀法制备 OLED 器件, 首先对经过玻璃清洗剂清洗的 ITO 基板按顺序分别用去离子水、丙酮和异丙醇进行超声各 15min, 然后用高纯氮气吹干, 在150下加热烘干 10min。ITO 基板方块电阻为 15, 器件的有效发光面积为9mm。蒸镀时器件真空度保持在 510Torr (即 6.666 1210Pa) 以下, 金属电极材料的蒸镀速率为 0.21nm/s, 超薄有机层材料蒸镀速率为 0.0020.005nm/s, 其他有机材料蒸镀速率为 0.010.2nm/s。其中, 超薄发光层材料采用的是光
11、色为橙红色的磷光材料 iridium () bis (2-methyldibenzo-f, hquinoxaline) (acetylacetonate) (Ir (MDQ) 2 (acac) ) , 其分子结构如图1 所示。图 1 发光材料的分子结构 下载原图1.2 器件测试器件的电流-电压-亮度 (Current-VoltageLuminance, C-V-L) 特性通过电脑控制的 Keithley2400 和 Topcon BM-7A 测试系统测得, 电致发光 (Electroluminescence, EL) 光谱由经过校准的 Labsphere CDS-610 光谱测量系统测得。所有
12、测量均在室内大气压环境下进行。2 结果与讨论设计的器件基本结构为:ITO/MoO 3 (1nm) /1, 1-bis (di-4-tolylamino) phenylcyclohexane (TAPC, 45 nm) /1, 3-bis (carbazol-9-yl) benzene (mCP, 12.5nm) /Ir (MDQ) 2 (acac) (xnm, x=0.1, 0.3, 0.5) /1, 3, 5-tris (N-phenylbenzimidazole-2-yl) benzene (TPBi, 57.5nm) /LiF (1nm) /Al (100nm) 。MoO 3和 LiF
13、分别为空穴注入层和电子注入层, TAPC 和 mCP 为空穴传输层, TPBi 为电子传输层。由于 HTL/ETL 界面两侧的空穴和电子迁移率存在很大的差异, 载流子结合区主要在 HTL/ETL 界面处11。TAPC (10cm/ (Vs) ) 12和 mCP (10cm/ (Vs) ) 13的空穴迁移率都明显高于 TPBi 相应的电子迁移率 (10cm/ (Vs) ) 13, 而 MoO3又能极大地提高空穴注入能力9, 因此在 mCP/TPBi 界面处, 空穴为占多数的载流子, 即多子, 而电子为少子14。为了优化器件结构, 我们首先改变超薄发光层的厚度, 分别为 0.1、0.3 和0.5n
14、m。如图 2 所示, 在不同发光层厚度下, 器件的电流密度-电压 (J-V) 特性基本保持不变。但是如图 3 所示, 不同发光层厚度的器件在发光效率上却表现出了明显差异。超薄发光层厚度为 0.1nm 时, 器件的电流效率 () 最高, 达到了 28.1cd/A。同时器件也表现出了低滚降 (Roll-Off) 的特性, 在亮度 (L) 为 1 000 cd/m 时, 器件电流效率仍有 25.2cd/A。有研究表明 TPBi 膜表面平均粗糙度约为 0.672nm9, 比超薄发光层厚度要高。在实际工艺操作下, 超薄发光层相当于同时掺杂在电子传输材料 TPBi 和空穴传输材料 mCP 中, 这里提高超
15、薄发光层的厚度相当于增加了器件的掺杂浓度。电流效率随着超薄发光层的厚度增加而减少, 主要是由发光层激子的浓度淬熄引起, 与高浓度掺杂引发的激子淬熄类似。图 2 不同发光层厚度下器件的电流密度-电压 (J-V) 特性曲线及器件结构图 下载原图图 3 不同发光层厚度下器件的电流效率-亮度 (-L) 特性曲线 下载原图为了进一步验证超薄发光层的有效性, 我们将其与掺杂器件做了对比, 器件结构如下:器件 A (超薄发光层) :ITO/MoO 3 (1nm) /TAPC (45nm) /mCP (12.5nm) /Ir (MDQ) 2 (acac) (0.1nm) /TPBi (57.5nm) /LiF
16、 (1nm) /Al (100nm) 器件 B (空穴主体材料) :ITO/MoO 3 (1nm) /TAPC (45nm) /mCPIr (MDQ) 2 (acac) (6%, 12.5nm) /TPBi (57.5nm) /LiF (1nm) /Al (100nm) 器件 C (电子主体材料) :ITO/MoO 3 (1nm) /TAPC (45nm) /mCP (12.5nm) /TPBiIr (MDQ) 2 (acac) (6%, 12.5nm) /TPBi (45nm) /LiF (1nm) /Al (100nm) 器件电流密度和亮度随电压的变化如图 4 所示。当 Ir (MDQ) 2 (acac) 掺杂在电子传输材料 TPBi 中时, 因为 Ir (MDQ) 2 (acac) 的最低未占分子轨道 (Lowest Unoccupied Molecular Orbital,
