基于FirPic的藍(lán)色有機(jī)電致磷光器件

張 剛，王駿桃，田曉萃，郭金昌，趙麗娜，姜文龍

(吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 吉林 四平 136000)

0 引言

自從1987年 C.W.Tang［1］等對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件(OLEDs)的研究取得歷史性的突破以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的高速發(fā)展［2-7］，它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.OLED研究的目標(biāo)是發(fā)展全彩色顯示，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.紅、綠和藍(lán)三基色是實(shí)現(xiàn)全色顯示的重要方案之一，日本先鋒公司用這種方案實(shí)現(xiàn)了全色顯示［8］.藍(lán)色是實(shí)現(xiàn)三基色全色顯示的重要組成部分，與綠光相比，其性能還有一定的差距.所以，目前的主要研究方向是高性能的藍(lán)光材料及其合理的器件結(jié)構(gòu).基于磷光材料的有機(jī)電致發(fā)光器件(POLEDs)比傳統(tǒng)熒光材料OLEDs的優(yōu)勢(shì)大得多.這是因?yàn)闊晒馄骷羌ぐl(fā)單線態(tài)激子發(fā)光，而單線態(tài)激子只占激子總數(shù)的四分之一，所以其內(nèi)量子效率只能達(dá)到25%.而POLEDs可以同時(shí)捕獲電場(chǎng)激發(fā)的單線態(tài)激子和三線態(tài)激子，并且三線態(tài)激子占激子總數(shù)的四分之三，在理論上其內(nèi)量子效率可以達(dá)到100%.所以，對(duì)于有機(jī)電致磷光器件的研究也在廣泛開(kāi)展.丁磊等利用微腔效應(yīng)制備了高飽和度的藍(lán)色磷光OLED［9］.廖亞琴等在空穴傳輸層摻雜SrF2獲得了高效率藍(lán)色磷光OLED器件［10］.其它的研究工作者也取得了在藍(lán)色磷光器件方面也取得了很好的成績(jī)［3，11-12］.

Firpic是第一個(gè)被報(bào)道的藍(lán)色磷光染料分子［13］，以之摻雜制作的磷光OLED器件可以獲得比較高的效率.但是，其色坐標(biāo)有很大幅度的變化，原因之一是其位于492nm左右的肩峰在強(qiáng)度上不盡相同所造成的.本文以MCP為主體材料，F(xiàn)irpic為磷光客體材料，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(20nm)/MCP(3nm)/MCP:FirPic(z%，xnm)/TPBi(10nm)/Alq3(30nm)/Cs2CO3:Ag2O(2nm，20%)/Al(100nm)的藍(lán)色有機(jī)電致磷光器件.通過(guò)調(diào)整發(fā)光層的摻雜濃度和厚度，得到了性能較好的藍(lán)色POLED.

1 實(shí)驗(yàn)

選用NPB作空穴傳輸層，MCP:FirPic作藍(lán)光發(fā)射層，Alq3作電子傳輸層，TPBi作空穴阻擋層，Cs2CO3:Ag2O作電子注入層，Al作為陰極.器件的結(jié)構(gòu)為:ITO/NPB(20nm)/MCP(3nm)/MCP:FirPic(z%，xnm)/TPBi(10nm)/Alq3(30nm)/Cs2CO3:Ag2O(20%，2nm)/Al(100nm).實(shí)驗(yàn)中使用的ITO玻璃基片(20 Ω/sq)購(gòu)買(mǎi)于深圳南玻顯示器件公司，有機(jī)材料購(gòu)買(mǎi)于吉林奧來(lái)德公司.將ITO玻璃基片分別用丙酮、乙醇、去離子水各反復(fù)擦洗3次，再采用丙酮、乙醇、去離子水各超聲處理3次，每次為15min，然后在恒溫箱中，溫度調(diào)到120℃進(jìn)行干燥處理，最后放到多源有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)的真空腔中，腔中的真空度小于4×10－4Pa.按照上述的器件結(jié)構(gòu)，依次蒸鍍各層有機(jī)材料，蒸發(fā)速度為0.1 ～0.2nm/s.真空度在1.5 ×10－3Pa左右時(shí)蒸鍍Al，蒸發(fā)速度為15nm/s.采用FTM-V型石英晶體膜厚儀監(jiān)測(cè)各層的生長(zhǎng)厚度.通過(guò)由微機(jī)控制的Keithley 2400型電源和光譜掃描光度計(jì)PR655所構(gòu)成的測(cè)量設(shè)備對(duì)器件的電致發(fā)光光譜、亮度L、電流密度J、CIE色坐標(biāo)、亮度、電壓等特性進(jìn)行測(cè)量.所有的特性都是在器件未封裝時(shí)，室溫大氣環(huán)境中進(jìn)行的.圖1是發(fā)光層中材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖.圖2是使用的材料的能級(jí)圖.

圖1 發(fā)光層材料化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖2 有機(jī)材料的能級(jí)圖

2 結(jié)果與討論

為了確定摻雜的濃度，我們首先制備了一組器件，器件的結(jié)構(gòu)為:ITO/NPB(20nm)/MCP(3nm)/MCP:FirPic(z%，5nm)/TPBi(10nm)/Alq3(30nm)/Cs2CO3:Ag2O(2nm，20%)/Al(100nm).固定MCP:FirPic層的厚度為5nm，當(dāng) z為5，8，10和12時(shí)，器件分別定義為 A、B、C和D.發(fā)光層為MCP:FirPic的主客體摻雜的形式，而且MCP具有高的能隙(3.75 eV)，F(xiàn)irPic 的能隙較低(2.7 eV)，所以MCP上形成的三線態(tài)激子會(huì)很充分的把能量傳遞到FirPic上，有利于FirPic的發(fā)光.

圖3為器件A～D在10 V的驅(qū)動(dòng)電壓下的電致發(fā)光光譜圖.從圖中我們可以看出，器件A的主發(fā)射峰在468nm處，器件B～D的主發(fā)射峰在472nm處.A～D在500nm處都有一肩峰.這是FirPic的三線態(tài)發(fā)射［14］，沒(méi)有其他材料的發(fā)光峰.所以四個(gè)器件都是FirPic發(fā)光.

圖3 器件A～D在10 V電壓下的電致發(fā)光光譜圖

圖4為器件A～D的亮度隨電壓的變化曲線圖.從圖中我們可以看出，在10 V以下時(shí)，四個(gè)器件的亮度相差不大.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)10 V時(shí)，隨著摻雜濃度的提高，器件的亮度逐漸升高，到10%(器件C)時(shí)達(dá)到最大.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為15 V時(shí)，器件獲得最大亮度為10064 cd/m2.當(dāng)濃度繼續(xù)增加時(shí)，亮度反而下降了.

圖4 器件A～D的電壓—亮度曲線

圖5為器件A～D的效率隨電壓變化曲線圖.從圖中我們可以看出，隨著摻雜濃度的逐漸升高，器件的電流效率也是先增大后減小.器件C的效率要明顯高于其它三個(gè)器件.當(dāng)FirPic的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%(器件C)時(shí)，器件獲得最大的電流效率.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為8V時(shí)，效率為6.996 cd/A.提高摻雜濃度使得效率明顯下降，這證明在10% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，由母體MCP到客體FirPic的Dexter能量轉(zhuǎn)移是最充分的.當(dāng)FirPic摻雜濃度繼續(xù)增加時(shí)，由于三線態(tài)-極化子猝滅以及三線態(tài)-三線態(tài)湮滅過(guò)程的加劇，器件的效率明顯下降.綜合以上因素，確定摻雜的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%.

圖5 器件A～D的電壓—電流效率曲線

確定MCP:FirPic的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%后，改變其厚度，制備了一組器件，結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(20nm)/MCP(3nm)/MCP:FirPic(10%，xnm)/TPBi(10nm)/Alq3(30nm)/Cs2CO3:Ag2O(2nm，20%)/Al(100nm).當(dāng)x的值為10、15、20和25時(shí)，器件分別定義為E、F、G和H.圖6為器件E～H的效率隨電流密度變化曲線.從圖中我們可以看出，隨著摻雜層厚度的增加，器件的電流效率先增大，當(dāng)厚度為20nm(器件G)時(shí)達(dá)到最大值.當(dāng)電流密度為2.248 mA/cm2，驅(qū)動(dòng)電壓為13 V時(shí)，器件G的最大電流效率為10.35 cd/A.當(dāng)厚度超過(guò)20nm時(shí)，器件的效率又開(kāi)始下降.

圖6 器件E～H的電流密度—電流效率曲線

圖7為器件E～H的亮度隨電流密度變化曲線.從圖中我們可以看出，在低電流密度下，四個(gè)器件的亮度相差不大.當(dāng)電流密度超過(guò)50 mA/cm2時(shí)，器件的亮度隨著厚度的增加而增加.并且器件G和H的亮度在同一電流密度下要明顯高于器件E和F.當(dāng)器件G的電流密度為304.16 mA/cm2時(shí)，獲得最大的亮度為21950 cd/m2.所以，摻雜層的厚度對(duì)器件的影響比較大.當(dāng)摻雜層的厚度為20nm時(shí)，由陽(yáng)極傳輸過(guò)來(lái)的空穴和陰極傳輸過(guò)來(lái)的電子復(fù)合的幾率最大，所以效率最高.在同一電流密度下，器件E、F、G和H的亮度是依次增加的.說(shuō)明摻雜層的厚度越厚，空穴和電子復(fù)合成激子的總數(shù)越多，所以能發(fā)光的激子總數(shù)也越多，亮度也隨之而增加.但是，綜合考慮效率和亮度的總體因素，摻雜層的厚度在20nm時(shí)，器件的效果是最好的.

圖7 器件E～H的電流密度—亮度曲線

3 結(jié)論

制備了結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(20nm)/MCP(3nm)/MCP:FirPic(10%，20nm)/TPBi(10nm)/Alq3(30nm)/Cs2CO3:Ag2O(2nm，20%)/Al(100nm)的高效率的藍(lán)色磷光有機(jī)電致發(fā)光器件.通過(guò)對(duì)發(fā)光層(MCP:Firpic)摻雜濃度和厚度的調(diào)節(jié)，研究了其對(duì)器件性能的影響.最終確定發(fā)光層摻雜濃度為10%，厚度為20nm時(shí)，器件的性能較好.驅(qū)動(dòng)電壓為13 V時(shí)，電流密度為 2.248 mA/cm2，效率為10.35 cd/A;驅(qū)動(dòng)電壓為 21 V時(shí)，電流密度為304.16 mA/cm2，亮度為 21950 cd/m2.

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