面向短距離有機(jī)光纖通信系統(tǒng)的紅光OLED的研究

關(guān)曉亮，梁續(xù)旭，武明珠，茍昌華

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012）

經(jīng)過(guò)二十多年的快速發(fā)展，有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了市場(chǎng)[1-3]，從概念產(chǎn)品發(fā)展為商業(yè)新寵，在顯示和照明兩大領(lǐng)域顯示著突出優(yōu)勢(shì)。OLED的高發(fā)光效率和快響應(yīng)速度使其在通信領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用，它可以作為全有機(jī)光纖通信系統(tǒng)的電光轉(zhuǎn)換器件。目前對(duì)于短距離通信，例如在車載、機(jī)載通信、局域網(wǎng)、FTTH（Fiber To The Home）等通信領(lǐng)域中[4-6]，價(jià)格低廉、性能可靠、體積小巧、安裝方便的短程互聯(lián)器件成為該領(lǐng)域追求的目標(biāo)。2004年，Yutaka Ohmori等人在聚合物光波導(dǎo)（POF）上生長(zhǎng)OLED及有機(jī)光探測(cè)器（OPD），制作出了全聚合物集成光電器件，完成電/光、光/電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了短程局域通信[7]。然而常見(jiàn) OPD材料的光吸收范圍為600~800 nm，紅色波段存在POF的低損耗窗口，而Yutaka Ohmori等人制作的各種不同發(fā)光波長(zhǎng)器件中紅色有機(jī)電致發(fā)光器件（R-OLED）效率卻偏低，10 V下功率密度僅為3 mW/cm2[8]，應(yīng)用于POF傳輸時(shí)存在一定損耗，傳輸功率減弱，到達(dá)OPD的光信號(hào)較弱，所以將R-OLED作為短程通信光源，其輸出光功率有待提高。在達(dá)到一定亮度要求時(shí)，低電流有助于提高工作時(shí)間，滿足作為光源的穩(wěn)定性以及長(zhǎng)時(shí)間工作要求，所以我們研究?jī)?yōu)化的器件結(jié)構(gòu)以提高ROLED的效率。2013年，Zhang Z-S等人采用空穴傳輸材料作為藍(lán)光染料的母體，電子傳輸材料作為紅光染料的母體的相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，成功制備出低驅(qū)動(dòng)電壓、高效率的互補(bǔ)色白光器件[9]。本文將這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)用于單色OLED中，采用電子傳輸材料以及空穴傳輸材料既作為傳輸材料又分別作為一部分發(fā)光母體，主要利用其便于載流子傳輸?shù)淖饔?，并且利用雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)和混合母體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)提高器件效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

選用常用材料 N,N-bis（naphthalene-1-yl）-N,N-bis（phenyl）-benzidine （NPB） 作為空穴傳輸層（HTL）,Bis （10-hydroxybenzo[h]quinolinato） beryllium （Bebq2）作為電子傳輸層 （ETL）,LiF作為陰極緩沖層， 發(fā)光層染料選用Bis （1-phenylisoquinoline） （acetylacetonate）iridium （III） （Ir（piq）2（acac）），而以空穴傳輸材料NPB或者電子傳輸材料Bebq2作為母體材料。襯底材料選用帶有圖形的ITO導(dǎo)電玻璃[10]。

首先對(duì)襯底進(jìn)行如下處理:

1）用丙酮、乙醇反復(fù)擦洗ITO襯底；

2）將擦洗干凈的ITO襯底放入干凈的燒杯中，分別用丙酮、乙醇、去離子各超聲10 min；

3）將ITO襯底從燒杯中取出，吹干，放入烘箱中烘烤10 min；

4）最后將干燥清潔的ITO襯底進(jìn)行紫外臭氧處理10 min，以提高ITO電極的表面功函數(shù)。

將處理好的ITO襯底放入多源有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行有機(jī)材料及LiF的蒸鍍。 在薄膜蒸鍍的過(guò)程中系統(tǒng)的真空度維持在4×10-4Pa左右。薄膜的厚度和蒸鍍速率由上海泰堯真空科技有限公司生產(chǎn)的膜厚控制儀進(jìn)行監(jiān)控。有機(jī)材料及LiF的蒸鍍速率分別控制在1?/s和0.05?/s。

在蒸鍍金屬Al電極之前，需將蒸鍍完LiF的樣品從有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中取出，換上蒸鍍金屬Al的掩模板來(lái)確定發(fā)光面積。這一過(guò)程中樣品暴露了大氣。器件的電致發(fā)光光譜、亮度以及電流電壓特性由美國(guó)PR650亮度光譜測(cè)試儀、美國(guó)Keithley-2400電壓電流源組成的測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量，所有的測(cè)試都是在室溫大氣中完成的。

2 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)首先制作了3個(gè)R-OLED，3個(gè)器件的結(jié)構(gòu)以及能級(jí)圖如圖1所示。3個(gè)器件的空穴傳輸層均采用NPB，電子傳輸層均采用Bebq2。不同之處在于發(fā)光層，器件A采用NPB作為發(fā)光層母體材料（NPB host）；器件B采用Bebq2作為發(fā)光層母體材料（Bebq2 host），這兩個(gè)單發(fā)光層結(jié)構(gòu)器件用于對(duì)比。器件C為采用載流子傳輸材料NPB和Bebq2同時(shí)作為母體材料的簡(jiǎn)單雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)（Double emission layers DEL）。3種器件的發(fā)光層厚度相同均為12 nm，染料摻雜濃度均為8wt%。

圖1 3個(gè)器件的結(jié)構(gòu)圖以及材料的能級(jí)圖Fig.1 Schematic diagrams of our three devices and simplified energy-level diagram of materials in device C

圖2 3個(gè)器件的電流效率-亮度曲線以及電流密度-電壓曲線（小圖）Fig.2 Current Efficient（CE）-Luminance （L） characteristics ofdevices studied in this work.The inset is Current density-voltage （J-V）characteristics of devices

從圖2小圖中可以看出在相同電壓下，3個(gè)器件的電流基本相同。從3個(gè)器件的電流效率-亮度曲線我們可以看到器件A和器件B的最大電流效率分別是3.2 cd/A和3.7 cd/A，而采用雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)的器件C的效率是4.7 cd/A，相比于單發(fā)光層的器件A和器件B分別提高了47%和27%。對(duì)于器件A，電子趨于在NPB和Bebq2界面處聚集，電子和空穴傳輸?shù)牟黄胶鈱?dǎo)致形成的激子少，并且在電子傳輸層形成的激子以非輻射形式復(fù)合不能被發(fā)光層內(nèi)部染料分子所利用，所以器件的效率較低。器件B形成的激子一部分在空穴傳輸層，器件效率也偏低。而器件C采用雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)，靠近空穴發(fā)光層一部分的發(fā)光母體采空穴傳輸材料NPB，靠近電子傳輸層一部分的發(fā)光層母體采用電子傳輸材料Bebq2，既便于空穴的傳輸又便于電子的傳輸，兩種不同載流子傳輸材料的勢(shì)壘形成在發(fā)光層中間，發(fā)光層內(nèi)載流子的平衡程度改善，激子復(fù)合區(qū)寬度展寬[11-13]，形成的激子幾率增加，發(fā)光效率明顯提升。雖然雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)中對(duì)于單發(fā)光層結(jié)構(gòu)器件改善了載流子平衡程度，但是激子的主要形成區(qū)在雙發(fā)光層界面處，激子向兩側(cè)的分布形成e指數(shù)遞減趨勢(shì)，會(huì)引起激子高濃度下的淬滅與湮滅現(xiàn)象[14]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，再次調(diào)整激子在發(fā)光層內(nèi)分布，讓激子分布更均勻，進(jìn)一步提高激子利用率，所以引入了混合母體中間層結(jié)構(gòu)，也就是在雙發(fā)光層中間引入4 nm NPB和Bebq2混合母體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高紅光器件效率。

基于上述思想我們制備了器件D，其結(jié)構(gòu)和能級(jí)如圖3所示，發(fā)光層包括3部分，在雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)中間插入4 nm兩種母體材料按照1:1比例同時(shí)蒸鍍并摻入染料，即引入與兩側(cè)材料相同的混合母體中間層 （Intermixed Host Layer IHL）。

從圖4小圖中可以看出在相同的電壓下，混合母體中間層結(jié)構(gòu)的電流密度比雙發(fā)光層結(jié)構(gòu)有所增加，因?yàn)橐氲幕旌夏阁w中間層，相當(dāng)于雙極型母體，有助于載流子傳輸。從圖6器件C和器件D的電流效率曲線我們可以看到器件D的電流效率達(dá)到了5.2 cd/A，電流效率提高了10.6%。效率可以提高的原因在于，這種“雙極型母體”使得電子和空穴便于傳輸?shù)皆摶旌夏阁w中間層，相對(duì)于器件C激子聚集在雙發(fā)光層界面處來(lái)看，極大地?cái)U(kuò)展了激子形成區(qū)寬度，增加了激子形成的幾率，有效地避免了激子淬滅與湮滅，激子利用率上升[15-16]，所以器件效率得到了進(jìn)一步提升。

圖4 器件C和器件D的電流效率-亮度曲線以及電流密度-電壓曲線（小圖）Fig.4 CE-L characteristics of device C and device D.The inset is Current density-voltage（J-V）characteristics of devices

由圖5中小圖可以看出4種器件的光譜基本重疊，峰值波長(zhǎng)在625 nm左右，是紅光染料Ir（piq）2acac正常發(fā)光。從4個(gè)器件的亮度-電流曲線，可以看出采用混合母體中間層結(jié)構(gòu)明顯提高了器件的發(fā)光效率，器件在8V電壓下電流密度為470 mA/cm2時(shí)，亮度達(dá)到9087 cd/m2，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的發(fā)光光譜計(jì)算得到R-OLED光功率密度達(dá)到14.5 mV/cm2o。本實(shí)驗(yàn)擬采用常見(jiàn)的紅光染料以及傳輸材料，得到的器件在波長(zhǎng)為625nm時(shí)發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到峰值，半峰寬為82 nm，但是對(duì)于制作全聚合物集成光電器件，完成電/光、光/電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)短程局域通信，要考慮制作OPD所選取材料的具體光吸收的波長(zhǎng)范圍，有機(jī)材料來(lái)源廣泛并且種類很多，可以將新材料用于本實(shí)驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)，得到更高的發(fā)光效率以及指定的波長(zhǎng)。另外，對(duì)于作為通新光源來(lái)說(shuō)，光信號(hào)在光纖中存在的光纖色散現(xiàn)象，所以要盡量減小光譜的半峰寬，可以將本實(shí)驗(yàn)中器件結(jié)構(gòu)移植于微腔結(jié)構(gòu)中，根據(jù)R-OLED光輸出信號(hào)要滿足的波長(zhǎng)以及半峰寬使用MATLAB軟件設(shè)計(jì)微腔結(jié)構(gòu)，根據(jù)模擬的結(jié)構(gòu)制備器件，達(dá)到光譜窄化，提高色純度以及使得輸出信號(hào)變強(qiáng)的效果[17]。

圖5 4個(gè)器件的亮度-電流密度曲線以及5 V電壓下的光譜圖（小圖）Fig.5 Luminance-Current density （L-J） characteristics of devices studied in this work.The inset is the normalized EL spectra at 5.0 V of devices

3 結(jié) 論

文中制作了一組R-OLED，實(shí)驗(yàn)采用傳輸材料作為發(fā)光層母體的發(fā)光層以及混合母體中間層結(jié)構(gòu)提高器件效率，兩種結(jié)構(gòu)相比于單發(fā)光層器件最大電流效率提高分別提高了47%和66%，8 V電壓下，光功率密度14.5 mW/cm2。本文所制備的器件結(jié)構(gòu)對(duì)于器件效率的提高提到明顯作用，用性能更好的新材料替代本實(shí)驗(yàn)中選用的常用材料，可以得到更高輸出功率的紅色有機(jī)電致發(fā)光器件，作為面向短距離局域網(wǎng)絡(luò)有機(jī)光纖通信系統(tǒng)光源，與有機(jī)光探測(cè)器（OPD）共同集成到POF上。將有機(jī)電致發(fā)光器件的優(yōu)良性能在通信的新領(lǐng)域得以發(fā)揮。

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