具有新型雙空穴注入層的有機(jī)發(fā)光二極管*

劉佰全 蘭林鋒 鄒建華? 彭俊彪

1)(華南理工大學(xué)高分子光電材料與器件研究所,廣州 510640)

2)(發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510640)

(2012年11月30日收到;2012年12月17日收到修改稿)

1 引言

耗低、

由于視有角機(jī)廣發(fā)以光及二響極應(yīng)管速度(O快LE等D優(yōu))具異有性亮能度[1高],、并功在顯示和照明領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景,受到學(xué)者和業(yè)界的廣泛重視而成為研究熱點(diǎn).20多年來(lái),眾多的科研工作者為了提高OLED的性能,對(duì)OLED進(jìn)行了大量的探索和研究[2-6].進(jìn)一步提高效率、降低功獲耗得一較直低是的驅(qū)OL動(dòng)E電D研壓究,改的善主空題穴.為注了入使對(duì)提OL升ED O器LE件D器件的性能至關(guān)重要.文獻(xiàn)里報(bào)道過(guò)多種空穴注入層,如MoO3[7],CuPc[8],m-MTDATA[9]等.對(duì)降低器件工作電壓,提高器件效率和穩(wěn)定性具有很大影響.雙空穴注入層能在器件陽(yáng)極和空穴傳輸層之間形成階梯勢(shì)壘,這樣更能有利于空穴的注入和傳輸,進(jìn)而提高器件的發(fā)光性能[10-12].因此,具有雙空穴注入層結(jié)構(gòu)的OLED器件引起了人們的重視.最近,Zhang等[10]使用兩種無(wú)機(jī)物(Au/V2O5)做雙空穴注入層,研究了器件的發(fā)光性能,發(fā)現(xiàn)單空穴注入層V2O5和雙空穴注入層Au/V2O5導(dǎo)致器件的性能差異較大,具有雙空穴注入層Au/V2O5的器件效率較高.Hou等[11]在倒置型頂發(fā)射OLED器件中,使用無(wú)機(jī)/有機(jī)(MoO3/C60)作為雙空穴注入層,器件與單空穴注入層MoO3或C60相比,其性能也得到較大提高.Lin等[12]也報(bào)道了兩種無(wú)機(jī)物Ag2O/MoOx作雙空穴注入層的OLED器件,該器件的工作電壓得到降低,電流效率和功率效率均得到很大提高.另外,雙空穴注入層Pt/Pr2O3[13],PEDOT/MoO3[14]等也能很好地提高OLED器件性能.

盡管眾多科研工作者對(duì)具有雙空穴注入層結(jié)構(gòu)的OLED器件進(jìn)行了大量的研究,但從未使用過(guò) “有機(jī)物/有機(jī)物”雙空穴注入層來(lái)提高器件的性能.本文將使用 N,N,N′,N′-tetrakis(4-Methoxy-phenyl)benzidine/Copper phthalocyanine(MeO-TPD/CuPc)構(gòu)成新型雙空穴注入層,并應(yīng)用在綠色熒光OLED中.通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),使用該新型雙空穴注入層的OLED器件的空穴注入能力得到很大提高,器件的亮度、功率效率等大幅上升.該器件的起亮電壓為3.2 V,亮度在10 V時(shí)有最大值23893 cd/m2,并且器件的最大的功率效率達(dá)到1.91 lm/W.

2 實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)比研究具有新型雙空穴注入層OLED的器件性能,設(shè)計(jì)了如下器件結(jié)構(gòu)：

A,ITO/NPB(45 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

B,ITO/MeO-TPD(15 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

C,ITO/CuPc(15 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

D,ITO/MeO-TPD(15 nm)/CuPc(15 nm)/NPB(15 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)

其中,Alq3(8-hydroxyquinoline)為電子傳輸層兼發(fā)光層,NPB(N,N′-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine)為空穴傳輸層,MeO-TPD,CuPc為空穴注入層,LiF為電子注入層,Al和ITO分別為器件的陰極和陽(yáng)極.器件D的結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的能級(jí)圖,如圖1所示.

圖1 器件D的結(jié)構(gòu)和能級(jí)圖

器件的制備過(guò)程如下：將ITO玻璃片依次用丙酮、異丙醇、洗液、水、異丙醇各超聲10 min,然后置于80°C的烘烤箱中干燥12 h.放入真空室,在10-4Pa真空度下,通過(guò)熱蒸鍍方式制備各層有機(jī)薄膜,蒸發(fā)速率分別為：LiF和CuPc為0.02 nm/s,其他有機(jī)層為0.1 nm/s,金屬Al在厚度小于10 nm時(shí)蒸發(fā)速率控制在0.05 nm/s,厚度大于10 nm時(shí)速率為0.5 nm/s.器件的各層厚度由Sycon公司生產(chǎn)的STM-100型石英晶體振蕩膜厚測(cè)試儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,電壓-電流(V-I)和亮度-電壓(L-V)特性用Keithley公司生產(chǎn)的236型電流電壓源和硅-光電二極管完成,并通過(guò)光度計(jì)PR-705對(duì)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn).器件制備完成后沒(méi)有進(jìn)行封裝處理,器件的測(cè)量均在充滿(mǎn)氮?dú)獗Ｗo(hù)的手套箱內(nèi)在室溫下進(jìn)行.所有器件的有效發(fā)光面積為0.15 cm2.

3 分析和討論

圖2 電壓-亮度曲線(xiàn)

圖3 J-V曲線(xiàn)

圖2 和圖3分別是器件A,B,C,D的L-V曲線(xiàn)和電流密度-電壓(J-V)曲線(xiàn).從電壓-亮度曲線(xiàn)中可以看出,器件D的起亮電壓為3.2 V,器件A,B,C分別為5.2,3.5,3.3 V,器件D比器件A,B,C的起亮電壓分別降低了2,0.3,0.1 V.在10 V時(shí),器件D具有最大亮度為23893 cd/m2,而器件A,B,C的最大亮度為19065,19699,20608 cd/m2,對(duì)應(yīng)的電壓分別為13.25,11.5,10.5 V.器件D的最大亮度比器件A,B,C的最高亮度分別提高了25%,21%,16%.從圖2中可見(jiàn),在同一亮度下,驅(qū)動(dòng)器件D的電壓比驅(qū)動(dòng)器件A,B,C的電壓低.在發(fā)光亮度為1000 cd/m2時(shí),器件A,B,C,D的工作電壓分別為10,7.75,6.3,6.1 V.器件D的工作電壓比器件A,B,C的電壓分別降低了3.9,1.65,0.2 V.從J-V曲線(xiàn)中可以看出,由于ITO/NPB界面的空穴注入勢(shì)壘較大,因此沒(méi)有空穴注入層的器件A的電流密度較小.在相同電壓下,器件B,C與A相比,都具有更大的電流密度,說(shuō)明通過(guò)引入空穴注入層,器件的空穴注入能力得到較大提高.而該新型雙空穴注入層更有利于空穴的注入,因此在相同電壓下器件D的電流密度最大,這也導(dǎo)致器件D有最高的亮度.

圖4和圖5分別是器件A,B,C,D的電流密度-發(fā)光效率和電流密度-功率效率曲線(xiàn).由于在該材料和結(jié)構(gòu)的有機(jī)發(fā)光器件中,空穴是主要的載流子[15],加入空穴注入層后,空穴的注入能力將得到很大提高,這導(dǎo)致器件中的空穴和電子濃度將更加不平衡[16],因此器件B,C,D的最大發(fā)光效率都低于器件A的最大發(fā)光效率(4.37 cd/A).但是當(dāng)電流密度較大時(shí),器件A的發(fā)光效率衰減最快,器件B,C,D的發(fā)光效率相對(duì)穩(wěn)定,并且當(dāng)電流密度大于230 mA/cm2以后,器件D的發(fā)光效率比器件A高,這是因?yàn)殛?yáng)極ITO薄膜中釋放的氧原子會(huì)使空穴傳輸材料性能變差,最終導(dǎo)致器件性能變差[17].在陽(yáng)極ITO與空穴傳輸層之間插入空穴注入層,能有效降低ITO對(duì)空穴傳輸材料的影響,使得器件穩(wěn)定性提高[18,19],因此器件B,C,D的性能都比器件A穩(wěn)定.另外,器件D的發(fā)光效率比器件B,C的發(fā)光效率高,原因可能是具有新型雙空穴注入層的器件D能有效提高空穴的注入和傳輸(下文將進(jìn)行分析),這將減少界面間的載流子積累以及降低空穴陷阱,因此有更高的發(fā)光效率[20],這些結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的一致[12,16].從圖5中可以看出,在相同電流密度下,器件D的功率效率都比A,B,C的要高,這是因?yàn)槠骷墓β市逝c工作電壓有關(guān),較低的工作電壓可產(chǎn)生較高的功率效率.具有新型雙空穴注入層(MeO-TPD/CuPc)的器件D由于具有最低的工作電壓,所以具有最大的功率效率1.91 lm/W,與器件A,B,C的最大功率效率相比,分別提高了43%(1.34 lm/W),22%(1.57 lm/W),7%(1.79 lm/W).器件功率效率的提高可以大幅降低器件的功耗,有利于延長(zhǎng)器件的壽命.

圖4 電流密度-發(fā)光效率曲線(xiàn)

圖5 電流密度-功率效率曲線(xiàn)

對(duì)于器件性能提高的原因,可以從圖1中知道,ITO的功率函數(shù)為4.7 eV[17],MeO-TPD,CuPc,NPB的HOMO能級(jí)分別為5.1[18],5.24[19],5.4 eV[20].通過(guò)在陽(yáng)極ITO和空穴傳輸層NPB之間引入雙空穴注入層,器件的HOMO能級(jí)上形成了階梯勢(shì)壘,這更有利于空穴的注入,因此降低了器件的工作電壓和提高了器件的亮度.

為了探索空穴注入和傳輸特性提高的原因,我們制備了以下單空穴型器件：

首先，拓展實(shí)驗(yàn)是以教材實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn)，建立在對(duì)教材實(shí)驗(yàn)充分掌握的基礎(chǔ)之上，可以促進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。其次，相對(duì)教材實(shí)驗(yàn)探究，拓展實(shí)驗(yàn)具有自主性、開(kāi)放性和未知性的特點(diǎn)，給學(xué)生留有廣闊的思維空間和探究視域。拓展實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生的全程參與和自主探究，包括問(wèn)題的提出、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、材料的準(zhǔn)備、具體的實(shí)施和結(jié)果的討論分析等，對(duì)學(xué)生的能力要求上升到了一個(gè)新高度。對(duì)照上述的科學(xué)探究能力的內(nèi)涵，不難發(fā)現(xiàn)，拓展實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展可以對(duì)科學(xué)探究能力進(jìn)行全方位的訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生能力的提升。再次，拓展實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，為學(xué)生創(chuàng)造了更多進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)踐的機(jī)會(huì)。實(shí)踐出真知，學(xué)生需要在實(shí)踐中去驗(yàn)真和證偽。

E,ITO/NPB(45 nm)/Al(120 nm);

F,ITO/MeO-TPD(15 nm)/NPB(30 nm)/Al(120 nm);

G,ITO/CuPc(15 nm)/NPB(30 nm)/Al(120 nm);

H,ITO/MeO-TPD(15 nm)/CuPc(15 nm)/NPB(15 nm)/Al(120 nm).

圖6 單空穴型器件的J-V曲線(xiàn)

圖6 是空穴型器件的J-V曲線(xiàn),從圖6中可以看出,當(dāng)電壓低于4 V時(shí),四種器件的J-V曲線(xiàn)相差不大.但是隨著電壓的增大,流過(guò)器件H的電流明顯高于其他器件.在相同工作電壓下,具有MeOTPD/CuPc的器件H和器件E,F,G相比,其電流密度最大.該J-V特性清楚地說(shuō)明,該新型雙空穴注入層能更有效地提高傳統(tǒng)綠色熒光器件的空穴注入能力,同時(shí)也表明這種結(jié)構(gòu)對(duì)降低電壓很有幫助.

4 結(jié)論

本文首次研究了采用兩種有機(jī)物MeOTPD/CuPc作為雙空穴注入層的新型OLED.該新型器件與分別使用MeO-TPD或CuPc做單空穴注入層,以及沒(méi)有空穴注入層的器件相比,其性能得到大幅提高,起亮電壓為3.2 V,最大亮度為23893 cd/m2,最大功率效率為1.91 lm/W.器件性能提高的機(jī)理是該新型雙空穴注入層能有效降低ITO陽(yáng)極與空穴傳輸層之間的勢(shì)壘,從而使得器件的空穴注入和傳輸能力大大提高.同時(shí),本文研究也為OLED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值.

[1]Tang CW,Vanslyke SA 1987 Appl.Phys.Lett.51 913

[2]Zou JH,Tao H,Wu H B,Peng JB 2009 Acta Phys.Sin.58 1224(in Chinese)[鄒建華,陶洪,吳宏濱,彭俊彪2009物理學(xué)報(bào)58 1224]

[4]Li C,Peng JB,Zeng WJ 2009 Acta Phys.Sin.58 1992(in Chinese)[李春,彭俊彪,曾文進(jìn)2009物理學(xué)報(bào)58 1992]

[5]Zou JH,Liu J,Wu HB,Yang W,Peng JB,Cao Y 2009 Org.Electron.10 843

[6]Wang X P,Mi B X,Gao Z Q,Guo Q,Huang W 2011 Acta Phys.Sin.60 087808(in Chinese)[王旭鵬,密保秀,高志強(qiáng),郭晴,黃維2011物理學(xué)報(bào)60 087808]

[7]Toshinori M,Yoshiki K,Hideyuki M 2007 Appl.Phys.Lett.91 253504

[8]Lee Y H,Kim W J,Kim T Y,Jung J,Lee JY,Park H D,Kim T W,Hong JW 2007 Current Appl.Phys.7 409

[9]Chen SF,Wang CW 2004 Appl.Phys.Lett.85 765

[10]Zhang HM,Choy WCH 2008 IEEETrans.Electron Dev.55 2517

[11]Hou J,Wu J,Xie Z,Wang L 2009 Appl.Phys.Lett.95 203508

[12]Lin H P,Yu D,Zhang B,X W,Li J,Zhang L,Jiang X Y,Zhang Z L 2010 Solid State Commun.150 1601

[13]Qiu CF,Peng HJ,Chen HY,Xie ZL,Wong M,Kwok HS2004 IEEE Trans.Electron Dev.51 1207

[14]Zhao Y B,Chen JS,Chen W,Ma DG 2012 J.Appl.Phys.111 043716

[15]Lee H,Lee J,Jeon P,Jeong K,Yi Y,Kim TG,Kim JW,Lee JW 2012 Org.Electron.13 820

[16]Zou Y,Deng Z,Lv Z,Chen Z,Xu D,Chen Y,Yin Y,Du H,Wang Y 2010 J.Lumin.130 959

[17]Scott JC,Kaufman JH,Brock P J,Dipietro R,Salem J,Goitia JA 1996 J.Appl.Phys.792745

[18]Vanslyke SA,Chen CH,Tang CW 1996 Appl.Phys.Lett.69 2160

[19]Shi CW,Tang CW 1997 Appl.Phys.Lett.70 1665

[20]Adachi C,Nagai K,Tamoto N 1995 Appl.Phys.Lett.66 2679