低效率滾降、光譜穩(wěn)定的藍光有機發(fā)光器件

曲加偉,穆曉齡,梁續(xù)旭,郭永林,趙 毅

(集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130012)

低效率滾降、光譜穩(wěn)定的藍光有機發(fā)光器件

曲加偉,穆曉齡,梁續(xù)旭,郭永林,趙 毅*

(集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130012)

將多個(Ir(ppz)3:FIrpic,1 nm)薄層對稱地插入發(fā)光區(qū)(mCP:FIrpic)中形成周期性結(jié)構(gòu),研究了該結(jié)構(gòu)對藍光有機發(fā)光器件性能的影響。結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)有效地抑制了發(fā)光區(qū)位置的漂移,減小了效率滾降,提高了光譜的穩(wěn)定性;同時增強了載流子的直接俘獲復(fù)合,提高了器件的效率。相對于無周期性發(fā)光層結(jié)構(gòu)的器件,最大電流效率從16.55 cd/A提高到20.70 cd/A,最大功率效率從14.85 lm/W提高到16.26 lm/ W,效率滾降改善了40%。

藍光有機發(fā)光器件;效率滾降;光譜穩(wěn)定性;俘獲復(fù)合

1 引 言

近年來,有機發(fā)光器件(Organic light-emitting devices,OLEDs)作為下一代平板顯示及固態(tài)照明光源引起了人們的廣泛關(guān)注[1-6]。高效率及高穩(wěn)定性的紅光OLEDs和綠光OLEDs[7-8]目前已經(jīng)有了大量的文獻報道。相比之下,藍光有機發(fā)光二極管(Blue organic light-emitting diodes,BOLEDs)發(fā)展得不是很理想。BOLEDs的效率隨電流密度的增加存在很嚴(yán)重的滾降現(xiàn)象[9-10]。以前的研究已經(jīng)確定了效率滾降的原因是三線態(tài)-三線態(tài)湮滅(Triplet-triplet annihilation,TTA)[11]和三線態(tài)-激化子猝滅(Triplet-polaron quenching,TPQ)[12]。TTA與TPQ是由于在結(jié)合區(qū)內(nèi)有很高的激子和載流子濃度卻沒有及時發(fā)光引起的。而發(fā)光區(qū)隨外加電壓的漂移會導(dǎo)致發(fā)光區(qū)內(nèi)不能均勻發(fā)光,使得載流子及激子集中在發(fā)光區(qū)的某一位置,這不僅使光譜穩(wěn)定性變差,還導(dǎo)致猝滅越發(fā)嚴(yán)重,從而加劇了效率的衰減[13]。因此,降低BOLEDs的效率滾降是提高BOLEDs性能的關(guān)鍵。

本文采用在發(fā)光區(qū)內(nèi)周期性地插入摻有藍光FIrpic染料的Ir(ppz)3薄層的方法,調(diào)整了發(fā)光區(qū)內(nèi)的載流子分布,減小了猝滅的發(fā)生,減緩了發(fā)光區(qū)位置漂移引起的效率滾降并提高了光譜穩(wěn)定性。

2 實 驗

2.1 實驗材料

實驗所用材料主要有N,N′-diphenyl-N,N′-bis(1-napthyl)-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine(NPB), 4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TcTa), 1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene(mCP),Iridium bis (4,6-di-fluorophenyl)-pyridinato-N,C2′)picolinate (FIrpic),4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen), fac-tris(1-phenylpyrazolato-N,C2′)-iridium(Ⅲ) (Ir(ppz)3)和氟化鋰(LiF)。NPB和Bphen分別作為空穴及電子傳輸層,TcTa作為激子阻擋層, Ir(ppz)3作為載流子阻擋及俘獲層,mCP和FIrpic分別作為母體及發(fā)光染料,LiF作為電子注入層。

2.2 器件制作與測量儀器

用帶有ITO的玻璃作為襯底,并分別用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗10 min。吹干后,放入烤箱內(nèi)烘干10 min。最后用紫外臭氧處理10 min。處理好的玻璃襯底放入真空蒸鍍室內(nèi)。整個器件的制備是在5×10-4Pa的真空度下進行的,器件的有效面積為2 mm×2 mm,薄膜的厚度由帶有晶振片的膜厚儀進行監(jiān)測。器件的電學(xué)、光學(xué)特性通過Keithley 2400和光譜儀LMSPR655測得。

3 結(jié)果與討論

圖1為所用材料的能級結(jié)構(gòu)和發(fā)光層內(nèi)部的物理過程。

為了降低因發(fā)光區(qū)漂移而引起的效率滾降問題,我們制作了一組器件A、B、C、D,結(jié)構(gòu)如表1所示。其中,器件A、B、C、D中摻有FIrpic染料的Ir(ppz)3(F-I)薄層數(shù)量分別為0,1,2,3,發(fā)光層的厚度保持20 nm不變。FIrpic的10%的摻雜比例均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 (a)所用材料的能級結(jié)構(gòu),實線代表LUMO和HOMO能級,虛線代表三線態(tài)能級;(b)發(fā)光層內(nèi)部的物理過程。Fig.1 (a)Energy level diagram of each material,solid lines for HOMO and LUMO levels,dashed lines for the triplet energy level.(b)Physical processes in emission layer.

圖2 器件A、B、C和D的電流密度-電壓-亮度特性曲線。Fig.2 Current density-voltage-luminance characteristics of devices A,B,C and D,respectively.

圖2為4個器件的電流密度-電壓-亮度曲線(J-V-L)。隨著摻有F-I薄層數(shù)量的增加,器件的電流密度逐漸下降,器件的亮度先增大后減小。在相同電壓下,器件C的亮度最大。

圖3為4個器件的電流效率-亮度(ηCE-L)和功率效率-亮度(ηPE-L)曲線。隨著F-I薄層數(shù)量的增加,器件的效率先增大后減小,但是器件B、 C、D的滾降均比器件A小。器件A在9 348 cd/ m2的亮度下的效率滾降為50%,而器件B的效率滾降為36.02%,相對于器件A改善了27.97%。器件C的效率滾降為30%,相對于器件A改善了40%。器件D的效率滾降為23.84%,相對于器件A改善了52.32%。綜合考慮,器件C的性能最優(yōu),相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),最大電流效率從16.55 cd/A提高到20.71 cd/A,最大功率效率從14.85 lm/W提高到16.26 lm/W,效率滾降改善了40%。

表1 器件A、B、C和D的結(jié)構(gòu)Table 1 Structures of A,B,C and D

圖3 器件A、B、C和D的電流效率-亮度(a)和功率效率-亮度(b)曲線。Fig.3 Current efficiency-luminance(a)and power efficiencyluminance(b)of device A,B,C and D,respectively.

圖4為器件A、B、C及D的歸一化光譜強度。可以看出,F-I薄層越多,器件的光譜越穩(wěn)定。

為了探究引起這些現(xiàn)象的原因,我們制作了兩組單載流子器件(e-0、e-1、e-2;h-0、h-1、h-2),器件結(jié)構(gòu)見表2。圖5為單電子器件及單空穴器件的J-V特性曲線,從圖5(a)可以看出,e-1和e-2的電流密度低于e-0,其原因是Ir(ppz)3高的LUMO能級及空穴傳輸特性阻擋了電子的傳輸。FIrpic的LUMO能級比mCP低,對電子產(chǎn)生束縛。e-1的電流密度低于e-2,表明Ir(ppz)3對電子的阻擋作用要強于FIrpic對電子的束縛作用。從圖5(b)可以看出,h-1和h-2的電流密度均低于h-0,其原因是Ir(ppz)3及FIrpic的HOMO能級均高于mCP,對空穴產(chǎn)生束縛作用。h-1的電流密度低于h-2,是因為Ir(ppz)3對空穴的束縛作用大于Firpic。隨著F-I薄層數(shù)量的增加, mCP能級的連續(xù)性降低,這在一定程度上也阻礙了電子及空穴在mCP母體的LUMO和HOMO能級上的傳輸,導(dǎo)致電流密度降低。

圖4 器件A(a)、B(b)、C(c)及D(d)的歸一化光譜,其中插圖為光譜在480～520 nm波長范圍內(nèi)的變化情況。Fig.4 Normalized electroluminescence intensity of device A(a),B(b),C(c)and D(d),respectively,where illustrations are the changes of spectra from 480 to 520 nm.

表2 單電子及單空穴器件結(jié)構(gòu)Table 2 Structures of electron-only devices and hole-only devices

為了對發(fā)光層內(nèi)部的物理過程進行進一步的研究,我們制作了另外兩組單載流子器件(e-3、e-4; h-3、h-4),器件結(jié)構(gòu)見表3。圖6為兩組單載流子器件的J-V特性曲線。從圖6(a)可以看出,e-4的電流密度低于e-3。這是因為Ir(ppz)3高的LUMO能級形成了電子勢壘,拆分后的Ir(ppz)3薄層增加了電子勢壘的數(shù)量,對電子的阻擋增強。

從圖6(b)可以看出,h-4的電流密度低于h-3。這是因為Ir(ppz)3高的HOMO能級上形成了空穴陷阱,h-4增加了陷阱的數(shù)量。因此,盡管Ir(ppz)3是空穴傳輸材料,但是拆分后對空穴有很好的束縛作用。通過對Ir(ppz)3層拆分后的器件與未拆分的器件進行比較,發(fā)現(xiàn)Ir(ppz)3層拆分對電子和空穴有更強的阻擋和束縛作用。當(dāng)在發(fā)光區(qū)內(nèi)插入F-I薄層時,Ir(ppz)3和FIrpic對電子的阻擋和束縛及對空穴的束縛,以及母體mCP能級的不連續(xù),使得電子和空穴由mCP能級的斷裂處注入到Ir(ppz)3層內(nèi)的FIrpic能級上去,增加了載流子俘獲形成激子的幾率,同時FIrpic可以通過Dexter和F?rster能量轉(zhuǎn)移從Ir(ppz)3獲得能量形成激子。由于F-I層很薄,該層中FIrpic能級上俘獲的載流子及形成的激子很容易向兩側(cè)擴散,被mCP母體層中的FIrpic利用,不會因堆積而引起猝滅。隨著Ir(ppz)3薄層數(shù)量的增加,載流子俘獲及激子產(chǎn)生區(qū)增加,使得整個發(fā)光區(qū)被充分利用,發(fā)光得到增強。但是當(dāng)薄層的數(shù)量超過2時,電子阻擋及空穴俘獲的強度增加,使得發(fā)光層內(nèi)部的載流子減少,降低了發(fā)光強度,從而降低了器件的效率,這從圖2和圖3中效率-亮度曲線可以看出。F-I薄層越多,越抑制發(fā)光區(qū)的漂移,使得發(fā)光層內(nèi)載流子及激子分布得更加均勻。發(fā)光區(qū)位置的穩(wěn)定也增強了器件光譜的穩(wěn)定性[14](圖4)。

圖5 單電子器件(a)和單空穴器件(b)的電流密度-電壓特性曲線Fig.5 Current density-voltage characteristics of electron-only devices(a)and hole-only devices(b)

圖6 (a)Ir(ppz)3層未拆分與拆分后的單電子器件的電流密度-電壓特性曲線;(b)Ir(ppz)3層未拆分與拆分后的單空穴器件的電流密度-電壓特性曲線。Fig.6 (a)Current density-voltage characteristics of electrononly devices with and without divided Ir(ppz)3 layer. (b)Current density-voltage characteristics of hole-only devices with and without divided Ir(ppz)3 layer.

表3 Ir(ppz)3層未拆分與拆分后的器件結(jié)構(gòu)Table 3 Structures of devices with undivided and divided Ir(ppz)3 layer

4 結(jié) 論

在藍光有機發(fā)光器件的發(fā)光區(qū)(mCP:FIrpic)中對稱地插入多個(Ir(ppz)3:FIrpic,1 nm)薄層能夠提高器件的效率、降低滾降及提高光譜的穩(wěn)定性。這種摻有FIrpic染料的Ir(ppz)3薄層的周期性結(jié)構(gòu)使得發(fā)光層內(nèi)有較均勻的載流子和激子分布,避免了因電場改變造成的載流子和激子不均勻分布引起的猝滅問題。相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),器件的最大電流效率從16.55 cd/A提高到20.71 cd/A,最大功率效率從14.85 lm/W提高到16.26 lm/W,效率滾降改善了40%。

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曲加偉(1988-),男,黑龍江綏棱人,碩士研究生,2013年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事有機電致發(fā)光器件方面的研究。

E-mail：jldxqjw@qq.com

趙毅(1968-),男,吉林長春人,教授,博士生導(dǎo)師,2001年于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事有機電子器件方面的研究。

E-mail：yizhao@jlu.edu.cn

Blue Organic Light-em itting Devices w ith Low Roll-off and Stable Spectra

QU Jia-wei,MU Xiao-ling,LIANG Xu-xu,GUO Yong-lin,ZHAO Yi*
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China) *Corresponding Author,E-mail：yizhao@jlu.edu.cn

Blue organic light-emitting deviceswith periodic doped Ir(ppz)3emission layerswere investigated.It effectively inhibited the drift of emission zone,reduced roll-off of efficiency caused by quenching and enhanced the spectral stability.Meanwhile,it enhanced excitation mechanisms of self-recombination by carrier trapping of FIrpic in Ir(ppz)3,improved the utilization rate of carriers and efficiency of devices and reduced the leakage of carriers to electrode.Compared with traditional device,themaximal current efficiency and maximal power efficiency were improved from 16.55 cd/ A to 20.71 cd/A and from 14.85 lm/W to 16.26 lm/W,respectively,and the efficiency roll-off was improved 40%.

blue organic light-emitting device;roll-off of efficiency;spectral stability;self-recombination

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20153609.1022

1000-7032(2015)09-1022-06

2015-04-22;

2015-07-25

國家自然科學(xué)基金(61275033)資助項目