加CdS薄層的白色有機電致發(fā)光器件色度的優(yōu)化

姜文龍，孫繼芳，路 瑩，田小翠，劉姊君，常 喜

(吉林師范大學信息技術學院，吉林 四平 136000)

0 引言

有機電致發(fā)光器件(Organic Light-emitting Diode，OLED)在全色顯示、固態(tài)照明以及液晶顯示器的背光源等領域都有著較好的應用前景，深受學術界和產(chǎn)業(yè)界的關注［1-4］.

白色有機電致發(fā)光器件，按照所用材料發(fā)光性質(zhì)的不同，可分為熒光型、磷光型和熒光/磷光混合型.一般來講，基于熒光材料的白色有機電致發(fā)光器件(WOLEDs)會隨著電流密度的增加，效率下降較快，其優(yōu)點是穩(wěn)定性較好.Chung-Chih Wu等人在2010年曾利用紅綠藍全熒光材料制作了啟亮電壓較低的白色有機電致發(fā)光器件，最大效率為7 cd/A，但隨著電壓的增加，色度變化較大［5］.為了利用熒光材料得到色純度好的白光器件，我們課題組采用DPVBi和Rubrene作為發(fā)光層，對白光器件的色度做了大量的研究，制備出的器件在很大的電壓變化范圍內(nèi)，色純度基本穩(wěn)定在 x=0.33，y=0.34，存在的問題是效率不高或啟亮電壓較高［6-7］，這也是實現(xiàn)實際應用的最大障礙.

而磷光材料能夠同時利用單線態(tài)激子和三線態(tài)激子輻射發(fā)光，內(nèi)量子效率在理論上能夠達到熒光的4 倍，即 100%［8-9］.但是，到目前為止，磷光型WOLEDs也存在一些問題，譬如穩(wěn)定性較差，壽命不長等［10］.例如，Liudong Hou等人利用 FIrpic作為藍光發(fā)光層，Ir(mppy)3為綠光發(fā)光層，Ir(piq)2(acac)為紅光發(fā)光層，制作了高效率、高亮度的全磷光白光器件［11］，但結(jié)構較為復雜，色度隨電壓變化較大，穩(wěn)定性較差.為了充分利用熒光材料的長壽命和磷光材料的高效率，人們設計了熒光/磷光混合型WOLEDs.如，Wenyu Ji等人在2010年，利用熒光和磷光復合發(fā)光制作的白光器件［12］，不僅色度較好，而且效率和亮度均較高.2013年，楊惠山用DPVBi、BAlq:Ir(piq)2(acac)和Alq3:QAD分別作為藍色、紅色和綠色發(fā)光層，制備了電流效率為6.1 cd/A，功率效率為3.1 lm/w，亮度為25300 cd/m2的白光器件，雖然色度較穩(wěn)定，但處于黃白光區(qū)［13］.在這種熒光/磷光混合型WOLEDs中，為了對單線態(tài)激子和三線態(tài)激子能量的傳遞進行有效的控制，在熒光材料和磷光材料之間，通過引入中間層的方法，能夠獲得高性能的混合型WOLED［14-17］.

本文基于熒光材料Rubrene和磷光材料Fir6復合產(chǎn)生白光，引入中間層CBP調(diào)控載流子的復合區(qū)域，利用CdS增強電子注入［18-19］，制備了色度較好的白光器件.

1 實驗

采用面積為20mm×25mm，電阻為25 Ω/□的ITO玻璃作為陽極基片.為了確保真空蒸鍍的有機膜的品質(zhì)，先后使用丙酮、無水乙醇、去離子水反復擦洗和超聲，之后放入干燥箱中干燥，待50min后取出，送入多源有機分子氣相沉積系統(tǒng)中.被蒸鍍的材料放在可單獨控制溫度的蒸發(fā)源里.藥品蒸鍍過程中，系統(tǒng)真空度保持為3×10－4Pa左右，有機膜的厚度、LiF的厚度和沉積速率均由上海產(chǎn)的FTM-V型石英晶體膜厚儀在線測得.器件的亮度—電流—電壓特性、色坐標以及電致發(fā)光光譜均由計算機控制的Keithley Source 2400和PR655構成的測試系統(tǒng)測得.所有的數(shù)據(jù)測試都在室溫大氣環(huán)境中進行.實驗中所用到的有機材料的化學結(jié)構式如圖1所示.

圖1 實驗所用有機材料的化學結(jié)構式

2 結(jié)果與討論

為了充分發(fā)揮CdS的作用，研究CdS的最佳厚度，將結(jié)構為 ITO/2T-NATA(20nm)/NPB(30nm)/Rubrene(0.1nm)/CBP(3nm)/CBP:Fir6(30:10%nm)/Bphen(40nm)/CdS(xnm)/LiF(0.6nm)/Al的白光器件中的CdS的厚度x分別采用0.0、0.1、0.3、0.5nm.對應器件的編號分別為 A、B、C、D.其中 2T-NATA作為器件的空穴緩沖層，NPB為空穴傳輸層，Rubrene和CBP:Fir6分別為黃色發(fā)光層和藍色發(fā)光層，CBP為激子阻擋層，Bphen為電子傳輸層，CdS為電子注入層.

圖2 器件A～D的電流效率—電流密度曲線

圖2為器件A～D的電流效率—電流密度(EJ)曲線.從E-J曲線我們可以看出，在同一電流密度下，加入光電陰極材料CdS薄層的器件B、C、D比不加CdS的器件A在效率上有很大提高.CdS的厚度為0.3nm的器件C的效率最高.當電流密度為280 mA/cm2的時候，其電流效率為3.875 cd/A.且隨著電流密度的增加，效率衰減也較為緩慢.這表明形成激子的幾率受到電流密度的影響較小.這與Rubrene具有較強的載流子俘獲能力是分不開的.

圖3為器件A～D的亮度—電流密度(L-J)特性曲線.從圖中我們可以看到，隨著電流密度的增加，器件的亮度均隨之增大，且插入CdS薄層的器件B、C、D的亮度和A相比都有相應的改善.在同一電流密度下，器件C的亮度相對較高.在電流密度為384.5 mA/cm2時，器件C的最大亮度為13290 cd/cm2，比沒有加入光電材料CdS的器件A的最大亮度高出2950 cd/cm2.亮度的改善源自于適宜厚度的CdS薄層的引入，使電子注入增加，形成激子的總量提高所造成［19］.

圖3 器件A～D的亮度—電流密度曲線

從以上分析得知，當CdS的厚度為0.3nm時，器件的性能最佳.但是器件的發(fā)光顏色偏黃.這主要是由于黃光發(fā)射較強，藍光發(fā)射較弱造成的.為了得到色度較好的白光器件，只有設法增加藍光的發(fā)射.因此在原有器件結(jié)構的基礎上，固定CdS的厚度為0.3nm，然后在摻雜層和Bphen之間增加激子阻擋層0.3nm厚的CBP，制備了結(jié)構為:ITO/2T-NATA(20nm)/NPB(30nm)/Rubrene(0.1nm)/CBP(3nm)/CBP:Fir6(30:10%nm)/CBP(3nm)/Bphen(40nm)/CdS(0.3nm)/LiF(0.6nm)/Al的器件，器件的編號為E.

圖4為二個器件C、E在7 V電壓下的(歸一化)光譜.從圖中可以看到，器件E的藍光部分強度明顯增加，色坐標獲得顯著改善，具體情況見表1.從該表也明確的觀察到器件E的色坐標在7.5 V的電壓下接近于白光等能點.

圖4 器件C、E的電致發(fā)光光譜

圖5為所用材料的能級關系圖.從該圖可以看出摻雜層兩側(cè)分別有M、N層0.3nm厚的CBP.這種結(jié)構有利于增加電子在CBP及其CBP:Fir6層內(nèi)的渡越時間，從而能提高在這一層內(nèi)的激子的形成幾率和數(shù)量，促進了藍光發(fā)射，提高了藍光發(fā)送射強度，從而改善了器件的色度.

表1 器件C和器件E在不同電壓下的色坐標

圖5 器件所用材料之間的能級關系圖

3 結(jié)論

通過實驗證明了0.3nm厚的 CdS薄層對于增強電子注入效果明顯，使器件的亮度和效率獲得了相應的提高.同時，通過兩層激子阻擋層(0.3nm厚的CBP)，增強了藍光的發(fā)射，使熒光/磷光白色有機電致發(fā)光器件的色度獲得了較大的改善.

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