有效陰極結構和空穴緩沖層的有機電致發(fā)光器件

徐維，羅鈺，王莉，袁俊文

（1.西安交通大學先進制造技術研究所，陜西 西安 710049；2.五邑大學數(shù)學物理系，廣東 江門 529020）

有效陰極結構和空穴緩沖層的有機電致發(fā)光器件

徐維1，2，羅鈺1，王莉1，袁俊文1

（1.西安交通大學先進制造技術研究所，陜西 西安 710049；2.五邑大學數(shù)學物理系，廣東 江門 529020）

在有機電致發(fā)光器件的電子傳輸層與注入層之間，以m-MTDATA作為HIL，使用三氧化鉬（MoO3）插入超薄層LiF-Al-Alq3，有效促進電子注入；然后，從熱動力學引發(fā)化學反應，生成n型Alq3摻雜物和促進電子注入的角度進行解釋.用MoO3作為空穴注入緩沖層，插入到空穴注入層與傳輸層之間，利用其最高被占用分子軌道適合作緩沖層的特點，提高空穴注入能力.改善載流子注入后，電流效率、功率效率及亮度分別提高了64％，101％和63％，電壓下降26％.

有機發(fā)光器件；陰極結構；載流子；緩沖層

有機電致發(fā)光器件（OL EDs）在平板顯示領域的應用備受推崇.高效的載流子注入及載流子之間的有效平衡，是實現(xiàn)OLEDs性能穩(wěn)定、高效率、低電壓的關鍵.紫外線和嗅氧等離子體處理方法［1-2］增加了ITO（銦錫金屬氧化物）的表面功函數(shù)，但其數(shù)值與通用空穴傳輸層材料的最高被占用分子軌道（HOMO）仍有差距.使用CuPc，Starburst Polyamines或PEDT：PSS等作為緩沖層［1，3-4］，可以有效地降低ITO與空穴傳輸層（HTL）之間的勢壘，促進空穴注入.使用FeCl3［4］，SbCl5［5］及互摻過渡層［6］等對HTL進行摻雜，也可以促進空穴注入.在電子注入方面，通常使用低功函數(shù)金屬作為陰極，在陰極與電子傳輸層（ETL）之間插入厚度超薄的LiF作為緩沖層，促進電子注入.與無機半導體材料相比，有機半導體材料的載流子傳輸能力很弱；而在有機材料中，電子的傳輸能力又弱于空穴的傳輸能力.使用超薄層LiF-Al-Alq3，能夠有效地提高頂發(fā)射器件的電子注入［7］.將緩沖層材料直接用陽極和HTL之間已有報道，但將空穴注入緩沖層插入在空穴注入層（HIL）和HTL之間的應用很少.NPB作HTL，m-MTDATA的最高被占用分子軌道（HOMO）為5.1eV［8］，介于ITO陽極的功函數(shù)（4.8eV）［9］與NPB的HOMO（5.5eV）［10］之間，具有促進空穴從ITO向NPB注入的作用.MoO3的HOMO介于m-MTDATA與NPB的HOMO之間，能夠促進空穴從m-MTDATA向NPB注入.將超薄層LiF-Al-Alq3插入到ETL和LiF之間，可促進電子注入.本文研究將m-MTDATA作為HIL，使用三氧化鉬（MoO3）作為緩沖層，插入到HIL與HTL之間，促進空穴注入.

1 實驗部分

依次用去污粉和去離子水沖洗ITO導電玻璃，并采用等離子體和紫外線進行表面處理；然后，在133.322μPa的真空室內蒸鍍有機層和陰極.蒸發(fā)速度及厚度采用石英晶片檢測測量，器件發(fā)光面積為0.25cm2，電壓-電流特性及亮度用Keithley 2400型程控數(shù)字源表（美國吉時利公司）測量.

器件結構為ITO/4，4′，4″-tris（3-methylphenylphenylamono）triphenylamine（m-MTDATA）（40nm）/MoO3（0，0.5，1，3，6，10nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50m）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）.Alq3用作發(fā)光層（EML），BPhen用作電子傳輸層（ETL），LiF和Al分別用作電子注入層（EIL）和陰極.

2 結果與討論

制備了6個系列器件，其結構分別如下：

（1）控制器件.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen：（50nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件A.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件B.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0.5nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件C.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（1nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件D.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（3nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件E.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）.

制備控制器件的目的，是為了與其他器件比較，其厚度設計并未追求最優(yōu)化.使用BPhen作 ETL是因利用其電子遷移率高，有利于電子傳輸?shù)奶攸c［11］.器件的電流密度（J）-電壓（V）曲線、電流效率（E）-電流密度（J）曲線，以及功率效率（P）-電流密度（J）曲線，分別如圖1，2，3所示.

與控制器件相比，器件A的電流、功率效率及亮度都獲得明顯提高，但電壓下降.表明，超薄層LiF-Al-Alq3能夠明顯改善電子注入.在使用MoO3后，器件性能表現(xiàn)為先明顯提高，而后提高不明顯，甚至沒有改善效果的現(xiàn)象.

圖1 器件的電流密度-電壓曲線Fig.1 Current density versus voltage characteristics of the devices

圖2 器件的電流效率-電流密度曲線Fig.2 Current efficiency vs.current density characteristics of the devices

圖3 器件的功率效率-電流密度曲線Fig.3 Power efficiency-current density characteristics of the devices

如器件B的電流和功率效率比器件A有相當程度的提高，電壓也明顯下降.說明，使用MoO3改善了器件性能.器件C、器件D和器件E相應的性能指標又比器件B有明顯提高，表明器件性能與MoO3厚度有關.但器件C，器件D和器件E的性能并沒有因為MoO3厚度的繼續(xù)增加而獲得顯著改善，而是表現(xiàn)為性能比較接近，趨于飽和.

這可能是，m-MTDATA的HOMO（5.1eV）［8］與NPB的HOMO（5.5eV）［10］之間有0.4eV的勢壘，MoO3的HOMO為5.3eV［12］，可以有效地降低m-MTDATA/NPB界面的勢壘，促進空穴注入，使器件性能改善.

在200A·m-2時，相比于控制器件，其電流效率、功率效率及亮度分別提高了64％，101％和63％，而電壓下降了26％.這種器件性能的明顯改善得益于使用超薄層LiF-Al-Alq3及MoO3后，電子及空穴兩種載流子的注入能力提高.

制備系列單載流子器件，以分析性能改善原因.單空穴器件結構為ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0，0.5，1.0，1.5，3.0，8.0nm）/NPB（10nm）/Al（130nm）；單電子器件結構為ITO/BCP（5nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/Al（130nm）.單電子器件中BCP的HOMO為6.7eV［13］，可阻止空穴進入ETL.單載流子器件電流密度（J）-電壓（V）曲線的比較，如圖4所示.

圖4 單載流子器件電流密度-電壓曲線Fig.4 Current density versus voltage curves of only devices

從圖4可發(fā)現(xiàn)，MoO3厚度為0.5，1.0nm時，電流密度明顯上升，證明MoO3能夠有效促進空穴注入；而MoO3厚度為1.0，3.0，8.0nm時，電流密度變化不明顯.這是由于MoO3與有機層接觸面積增大所致［14］.

在單電子器件電流密度-電壓曲線中，應用超薄層LiF-Al-Alq3后，電流密度上升顯著，表明LiF-Al-Alq3有明顯改善電子注入的作用.單空穴器件在厚度為1.0，3.0，8.0nm時，電流密度與使用LiF-Al-Alq3超薄層后單電子器件的電流密度接近，說明注入獲得改善的電子與空穴達到了有效的載流子平衡.這種情況與圖2，3及4中完整器件的性能表現(xiàn)相吻合，進一步證明了有效的載流子平衡促進了器件性能的改善.

從熱動力學的角度而言，LiF-Al-Alq3層會發(fā)生如下反應［15］

形成了一層很薄n型摻雜Alq3，促進了電子注入.一層超薄的Al（1.0nm）覆蓋在LiF或Alq3上足以誘發(fā)這樣的反應［15］，反應層可以是1.0nm或更薄.因此，超薄層LiF-Al-Alq3作為復合空穴注入層放置于不同的有機層和陰極之間是可行的.

3 結束語

使用LiF-Al-Alq3超薄層，有效地促進了電子注入.利用MoO3的HOMO適于作空穴注入緩沖層的特點，將其放置于空穴注入層與傳輸層之間，提高了空穴注入能力.相比于控制器件，其電流效率、功率效率及亮度分別提高了64％，101％和63％，而電壓下降了26％.通過單載流子器件電流密度-電壓曲線的對比，可知有效的載流子平衡使得器件性能得于改善.

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Organic Light-Emitting Diodes Based on Effective Cathode Structure and Hole Buffer Layer

XU Wei1，2，LUO Yu1，WAN G Li1，YUAN Jun-wen1
（1.Advanced Manufacturing Technology Research Institute，Xi’an Jiaotong University，Shanxi 710049，China；2.Department of Mathematics and Physics，Wuyi University，Guangdong 529020，China）

Based on using m-MTDATA as HIL，electron injection was promoted by using MoO3，inserting ultrathin layer Alq3-LiF-Al between electron transport layer and injection layer of organic light emitting devices；it’s explained from the point of view that thermal dynamics induced chemical reaction which generated n-type doping Alq3and the facilitated electron injection.With its characteristics that the highest occupied molecular orbital is suitable for buffer layer，MoO3was used as hole injection buffer layer，inserted between the hole injection layer and the transport layer，to improve hole injection ability.After carrier injection was improved，the current density，power efficiency and luminance are increased by 64％，101％and 63％respectively，while the voltage was reduced by 26％.

organic light-emitting diodes；cathode structure；carriers；buffer layer

TN 383+.1

A

1000-5013（2010）04-0396-04

（責任編輯：魯斌 英文審校：吳逢鐵）

2010-01-14

徐維（1973-），男，講師，博士，主要從事有機電致發(fā)光的研究.E-mail：greatyouth@yeah.net.

國家自然科學基金資助項目（50805117）；陜西省西安市應用材料創(chuàng)新基金資助項目（XA-AM-200804）；中國博士后科研基金資助項目（20090461297）