基于R-4B摻雜的黃色OLED器件的制備及性能優(yōu)化

張麥麗, 張方輝, 張 薇, 黃 晉

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

有機電致發(fā)光顯示器(Organic light-emitting display，OLED)以其重量輕、功耗低、主動發(fā)光、視角寬、制作工藝簡單、生產(chǎn)成本低、可柔性顯示等特點成為顯示領域的研究熱點之一[1-3].白光OLED更是以其在固態(tài)照明光源和液晶背光源等方面的巨大潛力而成為了目前的研究熱點，白光OLED器件的高效率、高亮度和高色穩(wěn)定性對其產(chǎn)業(yè)化具有重要意義[4,5].近年來，藍光與黃光復合實現(xiàn)白光發(fā)射已經(jīng)成為制備白光 OLED的一個主要方法之一[6-8].因此黃光電致發(fā)光器件的制備對于單色黃光顯示和白光電致發(fā)光器件的研制都具有重要意義；加之，磷光器件效率通常具有高效率和窄發(fā)光光譜的特性，并可有效利用單重態(tài)和三重態(tài)激子，使外量子效率從理論上可以達到20%[9,10]，因此黃色磷光OLED的制備及其性能的研究就顯得尤為重要.

本論文旨在利用紅綠磷光材料制備一款高色穩(wěn)定性和高效率的黃色磷光OLED器件.通過改變紅色磷光材料的摻雜比例，得到色坐標及發(fā)光效率較好的黃光OLED.

1 實驗部分

本實驗所采用的器件結構為(如圖1)：

ITO/MoO3(40 nm)/NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)/CBP:R-4B(x):Ir(ppy)2acac(8%)(30 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)，其中x=1%,2%,3%.

圖1 器件結構

本實驗所涉及的材料來源為：ITO玻璃購買于深圳萊寶高科技股份有限公司，MoO3來源于Sigma-Aldrich公司，R-4B、GIr1、BCP及AlQ均購于西安瑞聯(lián)近代電子材料有限責任公司， NPB 、TCTA和CBP購買于長春市阪和激光科技有限公司.

將平整度較好的ITO玻璃進行基片清洗、光刻，依次使用丙酮、乙醇超聲清洗15 min，氮氣槍吹干.將基片放入OLED多功能成膜設備的預處理室中等離子體處理15 min.預處理后放入多源有機熱沉積室中，當真空度為3×10-4Pa時，依次蒸鍍MoO3(30 nm)、NPB(40 nm)、TCTA(10 nm)、CBP:R-4B(x%):Ir(ppy)2acac(8%)(30 nm)、BCP(10 nm)、AlQ(40 nm)、LiF(1 nm)、Al(100 nm)，其中CBP:R-4B:Ir(ppy)2acac采用多源共蒸的方法實現(xiàn).有機層的沉積速率為0.3～0.4 nm/s，金屬層的沉積速率為1 nm/s，膜的厚度和沉積速率均由石英晶振實時監(jiān)控.

器件的亮度(L)-電流(I)-電壓(V)特性、色坐標及電致發(fā)光(EL)光譜由電流-電壓源Keithley Source 2400和光譜掃描光度計PR655 SpectraScan所構成的測試系統(tǒng)測量，整個測試過程都在室溫大氣環(huán)境下進行.

2 結果與分析

電壓為5 V時，紅光材料摻雜比例不同所對應的器件的光譜圖如圖2所示.由圖2(a)可知，將綠光強度歸一化，紅光強度隨著紅光摻雜比例的增加而增加，但當紅光摻雜到一定比例，即摻雜到3%時，紅光的強度不再增加.由圖2(b)可以看出，雖然紅綠光材料的摻雜比例不變，但3%光強明顯下降.分析原因可能是：當紅光摻雜1%時，由于摻雜比例過小客體分子不能充分利用主體CBP的能量，即能量轉移不充分，導致紅光發(fā)光峰比較弱；隨著摻雜比例的增加，紅光發(fā)光強度也隨之增加，當摻雜比例為2%時，器件的發(fā)光強度達到最高，說明此時的主客體間能量轉移最充分；但當紅光摻雜比例為3%時，發(fā)光強度降低，是因為客體的摻雜濃度過高，分子聚集引起的相互作用導致三線態(tài)激子出現(xiàn)濃度猝滅現(xiàn)象.所謂濃度猝滅是指在物質濃度較大，分子間或分子和溶劑之間的碰撞會導致非輻射能級躍遷的現(xiàn)象[11].

(a)歸一化光譜圖

(b)絕對光譜圖圖2 5 V時不同紅綠摻雜比例x下器件的光譜圖

紅光材料摻雜比例不同所對應的器件的亮度-電壓圖，電流密度-電壓圖如圖3和圖4所示.在有機電致發(fā)光器件中，電流密度隨電壓的變化反映了器件內(nèi)部的電學特性，在電壓較低時，電流隨著電壓的增加以近似于線性的方式緩慢增加，當電壓超過器件的導通電壓時，電流有急劇的躍升.亮度-電壓的關系曲線表現(xiàn)的是有機發(fā)光電致器件的光電性質.由于器件所發(fā)射的光是由流入器件的載流子對形成激子，而激子退激發(fā)發(fā)出輻射從而形成的，因此器件的發(fā)光亮度與流過器件的電流直接相關.電壓較低時，電流增加緩慢，相應地亮度也增加緩慢，當電壓較高時，器件的發(fā)光亮度隨電流的急劇增加而迅速提升.

圖4 不同x的器件的電流密度-電壓關系曲線圖

由圖3可知，三種器件的亮度均隨電壓的增加而增加，但隨著紅光材料摻雜濃度的增加，A、B、C器件的亮度依次減小.分析原因：一方面可能是因為現(xiàn)在綠光材料的效率高于紅光材料的效率，那么隨著紅光材料摻雜比例的增加，即效率較低材料的增多，亮度有減小趨勢.另一方面可能是因為人眼對紅光的視覺敏感度低，人的眼睛在可見光譜區(qū)域內(nèi)對不同波長可見光的靈敏度是不同的.所謂視覺敏感度是用來表示視覺系統(tǒng)對某種波長的敏感程度.在明亮環(huán)境中工作的錐體細胞所具有的視覺敏感度曲線用圖V(λ)光滑曲線[12](圖5)來表示，其峰值為555 nm黃綠光波長，眼睛對于光的敏感度，無論比峰值長還是短均會下降.此V(λ)曲線，是由國際照明國際委員會根據(jù)1924年的閃變法和逐次比較法的實驗結果確定的，稱為標準比視感度，也稱為明視覺光譜光視效率函數(shù).

圖5 光譜光視效率函數(shù)

根據(jù)CIE對光度學亮度的定義，亮度可定義為[13]：

(1)

式中，L為發(fā)光亮度，Km為光功當量：683 lm/W；Leλ是輻射亮度(一個與人眼視覺無關的物理量)，表示隨波長分布的輻射功率的大小；V(λ)是明視覺光譜光視效率函數(shù).例如，對于波長555 nm的單色光，如果輻射1 mW的光，則L=0.68 lm.由此可知，亮度可由光的輻射亮度與標準比視感度乘積對于波長的積分求得.所以，對于明視覺，當λ=555 nm(為黃綠光)時，亮度感覺最大[14].同樣，在昏暗環(huán)境中工作的桿體細胞所具有的視覺敏感度曲線的峰值為507 nm(青偏綠)，此時亮度感覺最大.因此可能紅光摻雜越多，削弱部分綠光，紅光波長越明顯，亮度也就越小.圖4所示為器件電流密度-電壓圖，表現(xiàn)出與電流密度-電壓圖相似的趨勢.

紅光材料摻雜比例不同所對應的器件的電壓效率圖如圖6所示.由圖6可知，A、B器件的流明效率隨著電壓的增大而依次減小，器件C的流明效率隨著電壓的增大而增大.總體來看，隨著摻雜濃度的增加，器件A、B、C的流明效率依次減小.分析原因：一方面對于磷光OLEDs,一般存在兩種發(fā)光機理[15,16].一種是載流子俘獲機制，其機理是染料分子直接俘獲從主體材料傳輸?shù)妮d流子，然后復合發(fā)光；另一種是Dexter能量轉移機制，其機理是染料分子接受來自于主體分子的激子，激子輻射發(fā)光.當紅光摻雜比較少時，綠光居多，發(fā)光效率較高.但當紅光摻雜增加時，器件的發(fā)光主要來源于載流子俘獲機制，即紅光摻雜材料分子直接俘獲主體材料CBP傳輸?shù)妮d流子，而紅光本身效率又低于綠光，導致器件效率的下降.另一方面隨著摻雜濃度的增加使得主客體之間的距離變小，短程的能量傳遞變得更加充分，當摻雜濃度較高時三線態(tài)激子出現(xiàn)濃度猝滅，因此濃度3%器件的效率相對很低.

圖6 不同x的器件的發(fā)光效率-電壓關系曲線圖

3 結論

本論文通過討論紅光材料的摻雜濃度的不同對黃色磷光OLED性能的影響得到如下結論：隨著紅光摻雜濃度的增加，綠光光強一定時，紅光光強增加，當x=3%時，紅光光強不再增加；但此時摻雜器件的紅綠光強均下降，而x=2%器件的紅綠光強較高且其發(fā)光效率與亮度均較高.綜合考慮發(fā)光器件的性能，當紅光摻雜比例為2%時，此時黃色磷光OLED的性能相對較好.

[1] 楊惠山，吳麗雙，潘玉灼.磷光與熒光相結合的多層白色有機發(fā)光器件[J].光電子·激光，2013，24(4)：673-678.

[2] Hu Sunjun,Zhu Minrong,Zou Hongbin,et al.Efficient hybrid white polymer light-emitting devices with electroluminescence covered the entire visible range and reduced efficiency roll-off[J].Applied Physics Letters,2012,100(6):1-5.

[3] Meng Mei,Song Wook,Kim Youhyun,et al.White organic light-emitting diodes with different order of RGB-emitting layers[J].Molecular crystals & liquid crystals,2012,569(1):125-142.

[4] Lan Y H,Hsiao C H,Lee P Y, et al. Dopant effects in phosphorescent white organic light-emitting device with double-emitting layer[J].Organic Electronics,2011,12:756-765.

[5] 張 微，張方輝，黃 晉,等.紅綠摻雜有機電致發(fā)光器件發(fā)光性能的研究[J].光電子·激光，2013，24(8)：1 467-1 471.

[6] 鄭華靖，陸海川，蔣亞東,等.TPB3TSi 黃光 OLED 材料的制備及其性能優(yōu)化[J].功能材料，2013，44(9)：1 350-1 352.

[7] 高永慧，姜文龍，丁桂英,等.基于NPBX摻雜CzHQZn的黃色有機電致發(fā)光器件[J].液晶與顯示，2011，26(1)：44-48.

[8] 李 青,趙 娟,王 琦,等.間隔層對雙發(fā)光層白色有機電致發(fā)光器件性能的影響[J].發(fā)光學報，2012，33( 1) ：45-49.

[9] Zhang Shiming,Liu Ziyang,Wng Xuehui,et al.White organic light-emitting diodes based on a yellow phosphorescence iridium complex and a high-efficiency blue fluorescence[J].Thin solid films,2013,537(30):221-225.

[10] Kim Nam Ho,Kim Youhyun,Yoon Juan,et al.Color optimization of single emissive white OLEDs via energy transfer between RGB fluorescent dopants[J].Journal of Luminescence, 2013,143:723-728.

[11] Xie Guohua,Meng Yanlong,Wu Fengmin,et al.Very low turn-on voltage and high brightness tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum-based organic light-emitting diodes with a MoOx p-doping layer[J].Applied Physics Letters，2008，92(9)：3 305-3 307.

[12] 陳金鑫，黃孝文.OLED夢幻顯示器——材料與器件[M].北京：人民郵電出版社，2011：74.

[13] 王慶有，王晉疆，張存林,等.光電技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：13-18.

[14] 張麥麗，張方輝，張 微,等.微腔結構對紅光磷光OLED的性能的影響研究[J].光電子·激光，2013，24(5)：887-891.

[15] 張 靜，張方輝.高效綠色磷光有機電致發(fā)光器件[J].光電子·激光，2012，23(11)：2 056-2 060.

[16] 高淑雅，陳維鉛，呂 磊,等.藍綠色磷光OLED的制備及發(fā)光性能研究[J].光電子·激光，2014，25(1)：31-35.