底發(fā)射OLED中陽極形狀對器件性能的影響

袁桃利， 馬 穎， 魏 楠， 朱小娟

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

有機發(fā)光二極管(Organic light-emitting diodes,OLED)因其在平板顯示領(lǐng)域的無可比擬的優(yōu)點吸引了國內(nèi)外很多研究者的注意.就器件本身而言，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)提高有機電致發(fā)光器件的效率、亮度、壽命等的研究已處于白熱化狀態(tài).尤其是隨著磷光材料的出現(xiàn)，使得OLED的內(nèi)量子效率幾乎達到100%，而外量子效率由于組成器件的功能層、電極層材料的吸收，以及很大一部分波導模態(tài)和襯底模態(tài)被限制，出光效率僅僅只有20%左右[1,2].大量的能量損耗在器件內(nèi)部，因此如何提高OLED器件的外量子效率，減少內(nèi)部損耗則成為目前OLED器件研究的熱點.

提高OLED出光效率經(jīng)常使用的方法有散布微球粒[3]、基板粗化[4]、采用微腔結(jié)構(gòu)、改變電極結(jié)構(gòu)等.Shiang和Duggal[5]提出了增加散射層的設(shè)計思想，出光率可增加40%；R. H. Jordan[6]等采用微腔結(jié)構(gòu)，外量子效率相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了1.6倍；陳文彬[7]等提出了將OLED器件設(shè)計成圓臺型以獲得更高的外量子效率；Moelle等人在ITO玻璃背面布置了微透鏡陣列，使得器件的量子效率提高了50%.本文通過改變陽極出光側(cè)形狀，即用一側(cè)平整(光面)，一側(cè)具有均勻凹凸結(jié)構(gòu)(凹凸面)的特制玻璃作為基底，以其光面和凹凸面分別作為陽極附著面，制備了兩種不同結(jié)構(gòu)的器件，與傳統(tǒng)的微腔結(jié)構(gòu)進行比較.經(jīng)實驗初步證明：當出光側(cè)形狀不同時，意味著OLED器件具有不同的出光模型，3種器件在性能上也有很大的不同.

1 實驗

1.1 器件制備

實驗所制備的器件結(jié)構(gòu)為：特制玻璃基板(光面和凹凸面)/Al(15 nm)/MoO3(40 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(30 nm)∶C545T(3%)/Alq3(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)；為便于比較，制備了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的器件，即普通玻璃基板/Al(15 nm)/MoO3(40 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(30 nm)∶C545T(3%)/Alq3(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)；特制玻璃與普通玻璃基板材質(zhì)、光面的表面光滑度相同.三種器件分別稱之為器件A、器件B和器件C.結(jié)構(gòu)如圖1所示.特制玻璃基板凹凸面的凹凸結(jié)構(gòu)呈近似圓錐形，底面直徑約為0.7 mm，高度約為0.1 mm.均勻陣列.其中，3種器件均采用15 nm的Al膜作光輸出陽極，即出光側(cè)，MoO3和NPB分別為空穴注入和傳輸層，Alq3用作電子傳輸層，LiF/Al為復合陰極.實驗所使用的主要材料來源為：MoO3購于Sigma-Aldrich公司，NPB購于吉林奧來德光電材料股份有限公司，Alq3購于西安瑞聯(lián)近代電子材料有限責任公司.

實驗所用真空蒸鍍設(shè)備為沈陽真空研究所的OLED-Ⅴ型有機多功能成膜設(shè)備.首先將玻璃基板使用丙酮、乙醇、去離子水等超聲清洗若干次，烘干，放入真空室，進行離子轟擊，當真空度為4×10-4Pa時，然后依次蒸鍍陽極Al，各有機功能層及陰極Al.實驗通過晶振控制膜厚，有機層的蒸鍍速率約為0.3 nm/s,而Al電極的蒸發(fā)速率約為0.8 nm/s.

1.2 器件測試

測試過程在室溫及大氣環(huán)境中進行，電流-電壓特性由Keithely2400型直流電源測量,電致發(fā)光光譜由PR-655 SpectraScan采集.器件發(fā)光面積為9 mm×9 mm.器件未進行封裝.

圖1 器件結(jié)構(gòu)

2 分析及討論

2.1 器件的電流密度-電壓特性

圖2為3種器件的電流密度-電壓特性曲線.可以看出，無論是在特制玻璃的兩側(cè)還是在傳統(tǒng)的玻璃基板上，器件的啟亮電壓幾乎沒有明顯變化，大致為5 V左右.且3種器件都表現(xiàn)出典型的二極管整流特性.但是，應(yīng)該注意的是，器件A與器件C的電流密度-電壓曲線幾乎重疊，而器件B的電流密度明顯小于其他兩種器件，這可以從圖1中3種器件采用的結(jié)構(gòu)得到解釋.器件A與器件C雖采用不同玻璃，但是陽極附著面的性質(zhì)是相同的，從陽極到陰極之間的功能層材料和厚度等是完全相同的，而載流子的注入及傳輸也只發(fā)生在陰極與陽極之間，因此，器件A與器件C的電流密度-電壓曲線是一樣的.而器件B的陽極附著面為凹凸面，從理論上來看，陽極薄膜擁有更大的接觸面積，相同電壓下電流密度應(yīng)該較之前兩種更大些，但事實與此正好相反，器件B的電流密度反而更小些，這就與陽極薄膜的表面狀態(tài)有關(guān)，凹凸表面在增大表面的同時，也使得薄膜的連續(xù)性和致密性受到影響，阻礙載流子的注入，而這樣的影響遠遠大于增加表面積所產(chǎn)生的影響，因此，在制備OLED器件時，支撐基板的表面狀態(tài)是非常重要的.

圖2 器件的電流密度-電壓特性

2.2 器件的亮度-電壓特性

圖3是3種器件的亮度-電壓特性曲線.可以看到，相同電壓下器件A的亮度最高，10 V左右時可達到30 000 cd/m2，器件B亮度最低，10 V時只有16 000 cd/m2，傳統(tǒng)器件則達到21 000 cd/m2.器件A的亮度相比于傳統(tǒng)器件C增加了40%左右.由圖可以看出，器件A與器件B都采用特制玻璃，但是在光面上和在凹凸面上所制備的器件在亮度上有明顯差異.且器件A的亮度也遠遠高于傳統(tǒng)的器件C.這可以從光輸出模型來解釋.3種器件除了陽極出光側(cè)的表面狀態(tài)和形狀不同外，其他結(jié)構(gòu)均相同.如圖4所示，對于器件A和器件B，其光輸出側(cè)的形狀及表面可由圖中的surface2來代表，而傳統(tǒng)器件C的光輸出表面可由surface1表示.對于傳統(tǒng)器件C，當光出射至玻璃/空氣界面處時，由于全反射存在一個大小約等于2θ1(θ1為玻璃/空氣界面臨界角)的立體角度范圍，大于該立體角度的光無法從玻璃中出射.而對于器件A和B，當平面變成凹凸面時，對同一束光線，入射角θ2遠小于全反射臨界角，而使得光線能夠從玻璃中取出.因此，凹凸結(jié)構(gòu)有利于光線從玻璃中萃取出來，且有效降低了襯底模態(tài)和其他波導模態(tài)的損耗.是一種能夠增強光輸出的模型.這也解釋了器件A優(yōu)于傳統(tǒng)器件C的原因.但是，器件B雖然也是增強型輸出模型，但是其亮度和電流密度卻最差，這說明對于OLED器件而言，薄膜的致密性、連續(xù)性對于器件的性能是至關(guān)重要的.如圖5所示是光面和凹凸面的Al膜的沉積情況，可以看出，凹凸面上大部分Al沉積到了邊緣和小坑里，凹面的內(nèi)表面只有少量甚至沒有Al，而光面的Al膜雖然偶爾有缺陷，但基本是連續(xù)的.連續(xù)而致密的薄膜能夠保證載流子順利注入傳遞并復合，而如果沉積不均勻或有斷裂，載流子需要克服更大的勢壘，就大大降低了載流子傳播的數(shù)量，而使得復合幾率減小.且實驗發(fā)現(xiàn)，器件B點亮時，局部有黑斑，且亮度分布帶有隱約的圓圈.這與陽極Al膜的沉積表面狀況是基本吻合的，在不連續(xù)處，由于載流子無法到達并符合，進而出現(xiàn)黑斑.這就解釋了為什么器件B性能較差.

圖3 器件的亮度-電壓曲線

圖4 光輸出模型

圖5 不同表面Al膜的附著

2.3 器件的電流效率-電壓特性

圖6是器件的效率-電壓特性曲線.由圖可知，器件A的最大電流效率可以達到7 cd/A，而傳統(tǒng)器件C可以達到6.3 cd/A，器件B最高只有5 cd/A.器件A的電流效率增加了約10%.但器件B的電流效率隨著電壓的升高，下降趨勢卻較平緩，而器件A和C則下降較快.這是由于光面型器件擁有更高的電流密度，使更多的載流子注入并復合[8]，隨著電壓的增加，載流子注入的不平衡加劇，多余的載流子便會在器件內(nèi)部形成內(nèi)建電場，阻礙載流子的注入及傳播，使得復合效率降低[9].

圖6 器件的電流效率-電壓曲線

2.4 器件的光譜特性

圖7 器件的相對光譜

圖7是器件在9.5 V時的相對光譜.譜峰位置基本相同，處于520 nm附近.3種器件幾乎完全重合，這說明3種器件的主體材料有效地將能量傳遞給了客體發(fā)光材料.顯然，對于平面型器件A與C，在擁有相同電流密度的條件下，器件A在亮度、效率、光譜強度方面更勝一籌.這說明，在提高內(nèi)量子效率的同時，外量子效率的提高是不能忽視的，凹凸結(jié)構(gòu)改變了全反射的角度限制，極大地改善了光子的出射條件.增強了光從器件中的萃取能力.有效提高了OLED的外量子效率.器件B則由于受到膜層不均勻、缺陷的影響，完全抵消了凹凸模型所帶來的益處.

3 結(jié)束語

制備了兩種以特制玻璃作為陽極的微腔有機電致發(fā)光器件和傳統(tǒng)微腔結(jié)構(gòu)的器件，通過實驗測試分析及比較，得出以下結(jié)論：如果陽極薄膜不均勻甚至斷裂，則器件會表現(xiàn)出黑斑，顯示不均勻等特性；當陽極Al膜具有很好的連續(xù)性、致密性和平整性時，且在光輸出側(cè)，玻璃/空氣界面處具有凹凸結(jié)構(gòu)修飾時，不僅能夠獲得良好的電流-電壓、亮度、電流效率等特性，且光線能夠克服在輸出過程中遇到的全反射限制，器件出光效率大幅增強，有效提高了器件的外量子效率.

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