磁場作用下二茂鐵對有機(jī)電致發(fā)光器件性能影響的研究

谷洪亮 楊 光

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

有機(jī)電致發(fā)光器件因?yàn)榫哂锌梢暥?、亮度高，反?yīng)快，厚度薄，構(gòu)造簡單，電壓需求低且省電效率高等優(yōu)點(diǎn)，被視為21 世紀(jì)最具前途的顯示平板產(chǎn)品之一。 但是由于其有機(jī)發(fā)光層中同時存在比率為1：3 的單線態(tài)激子和三線態(tài)激子， 而三線態(tài)激子對器件發(fā)光沒有作用， 所以越來越多的學(xué)者把精力投入到提高單線態(tài)激子數(shù)量的研究上。 文獻(xiàn)[1]報道了在MEHPPV 有機(jī)薄膜中摻入CoFe 納米粒子制成ITO/MEHPPV:CoFe/Al 結(jié)構(gòu)的OLED 器件，摻雜濃度為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，有外加磁場與沒有外加磁場相比，器件的發(fā)光量子效率提高了5%。 本研究試圖采用二茂鐵（Ferrocene）納米顆粒來替代CoFe 作為有機(jī)電致發(fā)光器件的自旋極化層， 并在自旋極化層與陰極之間插入一層電子注入層LiF 制作了有機(jī)發(fā)光器件。 通過外加磁場的調(diào)制，來研究器件性能的變化情況，達(dá)到利用外部磁場來調(diào)制注入載流子的自旋態(tài)，提高單線態(tài)激子的比率，進(jìn)而提高器件的發(fā)光量子效率的目的。

2 器件的制備與結(jié)構(gòu)

2.1 化學(xué)試劑

實(shí)驗(yàn)所用的有機(jī)分子材料MEHPPV 來自廣州礪劍光電材料科技有限公司，LiF 和二茂鐵來自天津津科精細(xì)化工研究所。

2.2 器件的制作過程

首先配置好MEHPPV （其中MEHPPV 與Ferrocene 的質(zhì)量比為3:1）溶液，MEHPPV 溶液濃度為6mg/ml，溶劑為氯苯（CB）；其次是在ITO 玻璃片上依次旋涂空穴注入層PEDOT:PSS 和發(fā)光層MEHPPV 溶液；最后依次蒸鍍電子注入層LiF、金屬陰極Al[2]。LiF 為1nm 時， 器件性能最好， 所以制作的器件LiF 的厚度為1nm。制作的器件器件結(jié)構(gòu)為ITO/PEDOT:PSS/MEHPPV:Ferrocene（3:1）/LiF（1nm）/Al。

3 結(jié)果與討論

3.1 器件的能級結(jié)構(gòu)圖

圖1 器件的能級結(jié)構(gòu)圖

從器件的能級結(jié)構(gòu)圖我們可以看出：從陽極注入的空穴先注入到二茂鐵，再從二茂鐵注入到MEHPPV 有機(jī)物薄膜中。 又因?yàn)槭覝叵露F具有磁性[3]，所以薄膜內(nèi)的空穴很容易被自旋極化。 但是二茂鐵的功函數(shù)為4.8 eV，而MEHPPV 的LUMO 能級為-2.7eV，所以不會出現(xiàn)從陽極注入的空穴先經(jīng)過二茂鐵后，再傳輸?shù)組EHPPV 有機(jī)物薄膜內(nèi)，從陽極注入的空穴而是直接傳輸?shù)接袡C(jī)薄膜內(nèi)。 所以，我們認(rèn)為磁場作用下器件發(fā)光強(qiáng)度增加是從二茂鐵獲得自旋極化的空穴和從陰極注入的未自旋極化的電子輻射復(fù)合的結(jié)果。

3.2 器件的亮度-電壓關(guān)系曲線和電流密度-電壓關(guān)系曲線

圖2 器件的亮度-電壓關(guān)系曲線和電流密度-電壓關(guān)系曲線

在0mT 和25mT 磁場調(diào)制的情況下，對器件的性能進(jìn)行了測試。 從器件的亮度和電流密度來看，在驅(qū)動電壓達(dá)到5V 以上時， 磁場作用下器件的亮度和電流密度比無磁場作用時有所增大。隨著驅(qū)動電壓的增大，器件的亮度和電流密度提高得更加明顯。 這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象間接表明： 磁場的調(diào)制下， 二茂鐵對聚合物MEHPPV 中的載流子產(chǎn)生影響， 使發(fā)光層中單線態(tài)激子的數(shù)量增加。

3.3 連續(xù)變化磁場作用下器件的發(fā)光變化率

圖3 連續(xù)變化磁場作用下器件的發(fā)光變化率

為了更加深入地了解磁場對器件亮度的影響，在10V 電壓的驅(qū)動下對器件進(jìn)行了發(fā)光性能的測量， 以器件的發(fā)光變化率（ΔEL/EL=[EL（B）EL（0）]/EL（0））為縱軸，以磁場為橫軸繪制成圖。 從圖上我們可以看出，在10V 的正向偏壓驅(qū)動下，器件的發(fā)光變化率與外加磁場的線性關(guān)系如下：隨著磁場強(qiáng)度的增大，器件的光強(qiáng)變化迅速增大（即ΔEL/EL 的值變大），且很快在磁場強(qiáng)度約為50mT 處達(dá)到最大值。而且，隨著磁場強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，器件的發(fā)光增強(qiáng)趨于飽和，亮度趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明：在外加磁場作用下，器件的發(fā)光效率得到提高。 這是因?yàn)閾诫s了二茂鐵的MEHPPV 中實(shí)現(xiàn)了三線態(tài)激子向單線態(tài)激子的轉(zhuǎn)換，提高了單線態(tài)激子的數(shù)量。 在有機(jī)半導(dǎo)體材料中，通常情況下，單線態(tài)激子對和三線態(tài)激子對都有較長的壽命，所以當(dāng)電子和空穴弛豫到激子狀態(tài)時，超精細(xì)的相互作用就會導(dǎo)致三線態(tài)激子向單線態(tài)激子轉(zhuǎn)化， 從而增加單線態(tài)激子的數(shù)量[4-6]。實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了在外加磁場的作用下，從磁性材料中得到的自旋注入可以用于調(diào)制單線態(tài)激子和三線態(tài)激子的比率。

[1]Sun C J，Wu Y，Xu Z H，et al. Enhancement of quantum efficiency of organic light emitting devices by doping magnetic nanoparticles.Appl.Phys Lett，2007，90（23）:232110.

[2] 谷洪亮.ZnS:Mn 納米顆粒的制備及在電致發(fā)光中的應(yīng)用[D].北京交通大學(xué)，2010.

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