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1、For personal use only in study and research; not for commercialuse第五章有机电致发光器件老化机理的研究 5.1弓I言For personal use only in study and research; not for commercial use有机电致发光器件具有许多优点，例如：自发光、视角宽、响应快、发光效率高、 温度适应性好、生产工艺简单、驱动电压低、能耗低、成本低等，因此有机电致发光 器件极有可能成为下一代的平板显示终端。伴随着有机电致发光器件的商业化，弄清 楚有机电致发光器件的老化机理以及提高它们的寿命就变的日益重
2、要起来。在有机电 致发光器件的老化过程中先出现黑斑（dark spots,然后黑斑的数目逐渐增多，面积 逐渐扩大，与此同时器件本身的亮度和效率随着工作时间的增加逐渐下降，最后导致 器件的失败。黑斑的产生是由于空气中的氧气及水气与器件的电极及有机材料发生反 应引起的1-10，可以通过提高器件的封装技术来控制其影响，而器件的亮度和效率随 着工作时间的增加逐渐下降还有待于进一步的研究11-22。在本章，我们研究了有机电致发光器件在不同的驱动模式（直流电源驱动和交流 电源驱动）下的老化过程，我们发现在相同的初始亮度（IOOcd/用）条件下，用交流电源 驱动的器件的寿命（器件的亮度下降到初始值的一半所用
3、的时间）远远大于用直流电 源驱动的器件的寿命。为了解释上述现象并弄清楚器件的老化机理，我们又制作了单 载流子器件（只传输空穴或电子的器件），并研究了这些器件的老化特性。For pers onal use only in study and research; not for commercial use 5.2材料的选择及器件的制备和测试我们选用CuPc作为阳极修饰材料，NPB作为空穴传输材料，Alq作为掺杂母体 及电子传输材料，rubrend乍为掺杂剂。所用材料均由购买获得，它们的化学结构如图 5.1所示。制备过程与第二章类似。器件结构为ITO/ CuPc(30 nm)/ NPB(80 nm
4、)/Alq:Rubrene(70im)/Alq(10 nm)/LiF(0.5 nm)/AI(120 nm)。器件的发光面积为 2.5 cm 3.5 cm图5.2为器件的结构示意图。AlqRubreneNPB图5.1所用材料的结构Al(120 nm)LiF( 0.5 nm)Alq*10 nm)Alq:Rubrene(70 nm)NPB(80 nm)CuPc(30nm)ITO glass图5.2器件的结构RF-5301PC荧光光谱仪、北京师范大学光电仪器厂的ST-900型微弱光光度计、 我们自己制作的交流电源、德国布劳恩公司的手套箱，可以维持H2O1ppm,O1ppm 的器件封装条件、沈阳四达真空
5、技术研究所多源有机分子束沉积系统。 5.3器件在不同的驱动模式下的老化过程研究我们研究了器件分别在交流电源驱动和直流电源驱动下的老化过程驱动条件为： 对于交流电源，在正偏（ITO接正电极，Al接负电极）时提供39.5 mA恒定电流占一 个周期的3/4,在反偏时提供、15V的恒定电压占一个周期的1/4,频率为200Hz,对于 直流电源,始终提供一个正偏的55.0mA的恒定电流。图5.3为交流电源的波形示意图。图5.3交流电源的波形示意图器件的初始亮度为100cd/m。图5.4为器件在不同的驱动模式下的亮度的衰减曲 线。我们可以看出用直流电源驱动的器件的亮度下降的非常迅速，工作约250小时， 亮度
6、就下降到了初始亮度的一半。而用上述的交流电源驱动的器件，亮度的下降就缓 慢了许多，工作约2000小时，亮度还有初始值的70%。图5.4器件在不同驱动模式下的亮度衰减曲线tuDiu 代CPXI.3J NZ1fii1iin一 /FLBde drivrig modelac driving model-200400 6DQ BOO 10Q01200140016001U2000Operating time (hour)2Q图5.5器件在不同驱动模式下的电压上升曲线图5.5为器件在不同的驱动模式下的电压上升曲线。我们可以看出用直流电源驱 动的器件的电压上升非常迅速，在很短的时间内，电压就上升了约4V。而用
7、交流电源 驱动的器件，在工作了约2000小时后，电压上升了约IV。为了解释上面的实验现象，我们这里先做两个假设：1）器件的亮度随着工作时间的增加而下降是由注入至到Alq:rubre ne层中的空穴引起 的，空穴注入到Alq:rubrene层中后，就会形成Alq+和rubreng,而Alq+和rubren$可 以有效地淬灭荧光（将在 5.4实验中证明）。2）器件的电压随着工作时间的增加而上升是由有机材料中存在的离子杂质（onic impurities和电偶极子引起的。如图5.6所示，离子杂质和电偶极子均匀分布在有机 电致发光器件中，当给器件加上正向偏压后，阳离子杂质向阴极运动，阴离子杂质向 阳极
8、运动，电偶极子的方向也在外加偏压下重新排列，从而在器件内部形成一个与外 加偏压相反的内建电场，这样如果要想获得相同的电流，则器件两端应该再叠加一个 克服器件内建电场的电压（Dechun Zou等人已经证明15-17。e e &09（a器件内部在加偏压前的情况正向偏压0 根据上边的假设，器件在直流电源的驱动下，随着时间的推移，注入到 Alq:rubrene 层中的空穴与Alq和rubrene形成Alq+和rubren$的数目越来越多，Alq+和rubren$可 以有效地淬灭荧光（将在5.4 实验中证明），导致器件的亮度不断下降，与此同时扩 散到阳极的阴离子和扩散到阴极的阳离子的数目越来越多，重新
9、排列方向的电偶极子 的数目也越来越多，内建电场越来越大，要想维持相同的电流，器件两端的电压会越 来越大；在交流电源驱动下，在正向偏压下注入到Alq:rubrene层中的空穴，在反向电 压的作用下，会有一部分漂移回NPB层中，这样就会延缓在Alq:rubrene层中形成Alq+ 和rubrene的速度，从而延缓器件的亮度下降的速度，同时在正向偏压下向阳极扩散 的阴离子和向阴极扩散的阳离子在反向偏压作用下又会向相反的方向扩散，在正向偏 压下取向的电偶极子在反向偏压作用下又会向相反的方向进行排列，这样就会延缓内 建电场增加的速度，从而延缓器件的电压上升的速度。5.4单载流子器件荧光淬灭机理的研究为了
10、研究Alq+和rubrene对器件荧光的影响，我们制作了只传输空穴的1.00-V 2 8 49 3 s vllo.o.o. 决=恢亡也11|- PHIN二闻-divice A-dwice Bo.eo -*-IIIIII1I1050100150200250Current Density (mA/cm )图5.7在有电流偏置情况下的单载流子器件的光致发光强度的变化单载流子器件 A和B，器件结构分别为：ITO/NPB(50 nm)/Alq(10 nm)/NPB(50 n m)/AI(120 nm) and ITO/NPB(5 0 nm)/Alq:rubre ne1.5wt%(10 nm)/NPB(5
11、 0nm)/Al(120 nm)。由于NPB是空穴传输材料，所以器件A和B应该只传输空穴而不传输电子。给器件A和B加上电流后，在电流密度不超过250mA/cni的情况下，没有观察到器 件的电致发光，表明电子的注入很小，不能形成激子发射。在给器件A和B加上偏置 电流的情况下，我们测量了它们的光致发光强度。图5.7为器件A和B的光致发光强 度随驱动电流的变化曲线，激发光源的波长为400nm激发光源的功率保持恒定，器 件A的监测波长为520nm,对应于Alq的发射，器件B的监测波长为557nm,对应 于rubrene的发射。我们可以看出随着偏置电流的增加，器件的光致发光强度逐渐下 降，这表明流过Al
12、q层和Al:rubrene层的空穴与Alq和rubrene结合形成的Alq+和 rubrene有淬灭Alq和rubrene荧光的作用，从而证实了 5.3节的假设1)。 5.5结论我们研究了有机电致发光器件在不同的驱动模式(直流电源驱动和交流电源驱 动)下的老化过程，在相同的初始亮度(100cd/m)条件下，用交流电源驱动的器件的 寿命（器件的亮度下降到初始值的一半所用的时间）远远大于用直流电源驱动的器件 的寿命。我们又制作了单载流子器件（只传输空穴或电子的器件），并研究了这些器件 的老化特性。证实了器件的亮度随工作时间的下降是由Alq+和rubrene引起的。参考文献1 Lin Ke, Soo
13、-jin Chua, K. Zhang, N. Yakovlev, Degradationand failure of organic light-emitting devices Appl. Phys. Lett. (2002) 80, 2195.2 P.E. Burrows, V.Bulovic, S.R. Forrest, L.S. Sapochak, D.M. McC,aMrt.yE. Thompson, Reliability and degradation of organic light emitting devices Appl. Phys. Lett. (1994) 65,
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