不同發(fā)光染料的頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件的研制

陳星明，胡勝坤，金　玉，吳志軍

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門　361021)

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不同發(fā)光染料的頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件的研制

陳星明，胡勝坤，金玉，吳志軍*

(華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021)

通過設(shè)計合理的微腔結(jié)構(gòu)，制備了基于綠光染料C545t、黃光染料Rubrene、紅光染料DCJTB的3種頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件。研究了不同發(fā)光染料對頂發(fā)射器件的光譜的影響。研究表明，微腔結(jié)構(gòu)對光譜具有窄化作用。綠光、黃光器件的發(fā)光峰波長并未隨視角增大而明顯變化，體現(xiàn)出良好的光譜角度性，而紅光器件卻出現(xiàn)了明顯的光譜藍移現(xiàn)象。綠光器件的最大功率效率為8.7 lm/W，當(dāng)電流密度為45 mA/cm2時，亮度能達到7 205 cd/m2；黃光器件的電流效率最大值為11.5 cd/A，當(dāng)電流密度為48 mA/cm2時，亮度可達到3 770 cd/m2；紅光器件的電流效率最大能達到3.54 cd/A，當(dāng)電流密度為50 mA/cm2時，可獲得1 358 cd/m2的亮度。采用合適的發(fā)光材料以及合適的器件結(jié)構(gòu)，不僅可以提高頂發(fā)射器件的色純度及發(fā)光效率，還可以改善器件發(fā)光光譜的角度依賴性。

頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件；發(fā)光染料；微腔；光譜

*Corresponding Author,E-mail:quantumoed@126.com

1　引　　言

有機電致發(fā)光器件(Organic light emitting device，OLED)具有面發(fā)光、厚度薄、響應(yīng)時間短、可制成柔性顯示屏等優(yōu)點，眾多公司及科研院校投入了大量人力和財力對其進行研究，并取得了一系列成果[1-6]。通常的OLED是由多層的有機層夾在高功函數(shù)的陽極和低功函數(shù)的陰極之間形成的。在外界電壓驅(qū)動下，空穴和電子克服界面能障，分別由陽極和陰極注入，進入空穴傳輸層(Hole transporting layer，HTL)的HOMO能階和電子傳輸層(Electron transporting layer，ETL)的LUMO能階，并在發(fā)光區(qū)中結(jié)合產(chǎn)生激子,激子以輻射的方式回到基態(tài)形成發(fā)光。OLED按照出光方向不同分為底發(fā)射器件和頂發(fā)射器件。傳統(tǒng)的底發(fā)射有機電致發(fā)光器件由于光從襯底一側(cè)射出，材料發(fā)出的光經(jīng)光波導(dǎo)模式大部分在玻璃基底和器件內(nèi)損失或者從器件邊緣發(fā)出，極大地影響了器件的效率[7]。與傳統(tǒng)的底發(fā)射器件不同，引入微腔結(jié)構(gòu)的頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件(Top-emitting organic light emitting device，TEOLED)不僅能有效提高器件發(fā)光強度[8]、發(fā)光效率[9]、色純度[10]等，同時對于主流的有源矩陣(Active matrix)顯示技術(shù)來說，由于頂發(fā)射結(jié)構(gòu)光從頂電極一側(cè)射出，將像素的驅(qū)動電路制作在襯底上就不會存在驅(qū)動電路和器件發(fā)光面積相互競爭的問題，可顯著提高像素的開口率[11]，所以對頂發(fā)射器件的研究具有重要的意義。

目前人們主要針對頂發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)對其光學(xué)性能的影響進行研究，如Li等[12]設(shè)計了高透射率的電極以提高頂發(fā)射器件的性能，Xie等[13]研究了不同厚度的陰極對器件光學(xué)性能的影響，Chen等[14]用BCP作為光輸出耦合層制備了高性能的TEOLED。除了器件的結(jié)構(gòu)以外，有機發(fā)光材料本身的發(fā)光特性也會對頂發(fā)射器件的光學(xué)性能產(chǎn)生影響，特別是頂發(fā)射器件的角度依賴性，即隨觀測角的不同，頂發(fā)射器件的電致發(fā)光強度、峰值波長等發(fā)生變化，這使得頂發(fā)射器件在應(yīng)用于顯示時存在視角問題[15]。本文通過設(shè)計合理的微腔結(jié)構(gòu)，制備了基于綠光熒光染料C545t、黃光熒光染料Rubrene、紅光熒光染料DCJTB的頂發(fā)射器件，研究了不同發(fā)光特性的發(fā)光染料對頂發(fā)射器件光譜角度性的影響。結(jié)果表明，使用發(fā)光光譜較寬的發(fā)光染料可以改善頂發(fā)射器件發(fā)光光譜的角度依賴性。

2　實　　驗

本實驗以綠光熒光染料C545t、黃光熒光染料Rubrene、紅光熒光染料DCJTB分別作為發(fā)光層，制備的三種器件結(jié)構(gòu)如下所示：

器件A：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/C545t∶Alq3(0.5%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件B：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/Rubrene∶Alq3(5%,30 nm)/Alq3(35 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件C：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(58 nm)/NPB(5 nm)/DCJTB∶Alq3(1%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

將已徹底清洗過的玻璃片放置于LN-1103SA多源氣相沉積系統(tǒng)中，熱蒸鍍70 nm厚的金屬Ag作為陽極，然后對Ag表面進行紫外照射處理，處理時間為2 min。這樣可在Ag的表面生長一層超薄的Ag2O以利于空穴的注入[16]。處理后，再按照器件的結(jié)構(gòu)依次熱蒸鍍相應(yīng)的材料。蒸鍍過程中，系統(tǒng)真空度始終保持在2.0×10-4Pa。有機材料的蒸鍍速率為0.08 nm/s，LiF蒸鍍速率為0.003 nm/s，金屬Al及Ag蒸鍍速率為0.3 nm/s。OLED有效發(fā)光面積為3 mm×3 mm。器件的電致發(fā)光光譜、電壓、亮度、電流密度、效率等是由MAYA2000PRO光纖光譜儀、keithley 2400程控電源以及LS-110亮度計組成的測試系統(tǒng)同時進行測量獲得。所有測量都是在室溫大氣中進行。

3　結(jié)果與討論

在頂發(fā)射微腔器件中，根據(jù)經(jīng)典光學(xué)理論我們可以用式(1)來計算正向的發(fā)光光譜[17]：

(1)

其中：λ是波長，x是激子到全反射電極的距離，R1和R2分別是全反射電極與半反射電極的反射率，L 是整個微腔器件的光學(xué)長度，En(λ)是有機發(fā)光材料在自由空間的發(fā)光光譜。

假設(shè)微腔內(nèi)的發(fā)光物質(zhì)在自由空間的發(fā)光光譜強度為1，所得到的器件光譜稱為腔發(fā)射譜(Cavity emission)，由腔發(fā)射譜可以得到器件的共振波長，這對頂發(fā)射器件的設(shè)計有著很好的指導(dǎo)作用。我們首先計算了頂發(fā)射器件A、B、C的腔發(fā)射譜，如圖1所示，其腔發(fā)射譜的發(fā)光峰中心波長分別為516，560，636 nm，這說明器件A、B、C的共振波長為516，560，636 nm。從圖2中可以看出，相同結(jié)構(gòu)的底發(fā)射器件的發(fā)光峰中心波長也在這些數(shù)值附近，說明我們設(shè)計的頂發(fā)射器件光強能在這些峰值處實現(xiàn)增益，從而有效提高了器件的發(fā)光效率，表明所設(shè)計的頂發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)是合理的，實驗的結(jié)果也證明了我們計算的準(zhǔn)確性。光譜稍許的差別是由于器件實際的厚度與計算模擬時采用的厚度存在細微差異。

圖1器件A、B、C的微腔發(fā)射譜。

Fig.1Cavity emission of device A,B,C,respectively.

從圖2中還可以看出，由于微腔效應(yīng)，頂發(fā)射器件的光譜半高寬明顯小于底發(fā)射器件的光譜半高寬。圖3分別比較了不同視角(0°和60°)下，器件A、B、C實驗測得的光譜。由微腔理論可知，頂發(fā)射器件雖然可以有效提高器件的發(fā)光效率以及色純度，但是也會使器件的發(fā)光峰隨著視角的增大而藍移[18]。隨著視角從0°增大到60°，器件A的發(fā)光峰僅藍移了4 nm，器件B與器件A類似，都體現(xiàn)出良好的光譜角度性。但是對于器件C，當(dāng)視角為0°時，器件的發(fā)光峰在636 nm；當(dāng)視角為60°時，發(fā)光峰在608 nm，發(fā)光波長向短波方向移動了28 nm。與器件A和B不同，對于用DCJTB發(fā)光染料制備的頂發(fā)射器件C，其共振波長隨著視角的增大而明顯藍移。器件A和B的發(fā)光波長隨視角的變化較小，主要是由于C545t以及Rubrene發(fā)光染料自身的發(fā)光峰較窄所致，也有相關(guān)文獻報道過此類現(xiàn)象[19]。表1列出了不同發(fā)光染料的光譜半高寬，其中C545t和Rubrene的光譜半高寬均小于DCJTB。雖然器件C的結(jié)構(gòu)與器件A、B相似，并且共振波長在636 nm處，器件效率得到提高，但是DCJTB本身的電致發(fā)光光譜較寬，這會顯著影響到器件C的光譜的穩(wěn)定性。

圖2頂發(fā)射器件(計算模擬和實驗測量)和底發(fā)射器件在0°視角下的發(fā)光光譜。(a) 器件A；(b) 器件B；(c) 器件C。

Fig.2Spectra of TEOLED (calculated and measured)and BEOLED at 0°.(a) Device A.(b) Device B.(c) Device C.

表1不同發(fā)光染料的光譜半高寬

Tab.1Spectral full width at half maxium of different luminescent dyes

發(fā)光染料光譜半高寬/nmC545t57Rubrene77DCJTB87

圖3　器件A、B、C在0°以及60°視角下的發(fā)光光譜。

Fig.3Spectra of device A,B and C at viewing angles of 0° and 60°.

表2為器件A的光電性能參數(shù)。在4.9 V的驅(qū)動電壓下，器件達到最大功率效率8.7 lm/W；當(dāng)電流密度為45 mA/cm2時，亮度能達到7 205 cd/m2。

表2　器件A的性能參數(shù)

表3為器件B的光電性能參數(shù)。在48 mA/cm2的電流密度下，器件B的亮度可達到3 770 cd/m2；在11 V的驅(qū)動電壓下，電流效率達到最大值11.5 cd/A。

表4為器件C的光電性能參數(shù)。當(dāng)電壓為7.0 V時，器件的最大電流效率達到3.54 cd/A；電流密度為50 mA/cm2時，即可獲得1 358 cd/m2的亮度。

表3　器件B的性能參數(shù)

表4　器件C的性能參數(shù)

4　結(jié)　　論

實驗制備了基于C545t、Rubrene、DCJTB 3種發(fā)光染料的頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件，研究了不同發(fā)光染料對TEOLED光譜的影響。隨著視角從0°增大到60°，綠光C545t器件的發(fā)光峰僅藍移了4 nm，黃光Rubrene器件的發(fā)光峰值也未隨角度增大而明顯變化，而紅光DCJTB器件的發(fā)光峰卻向短波方向移動了28 nm，出現(xiàn)明顯的藍移現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，采用合適的發(fā)光材料以及合適的器件結(jié)構(gòu)，不僅可以提高Top-OLED的色純度及發(fā)光效率，還可以改善器件發(fā)光光譜的穩(wěn)定性。

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陳星明(1989-)，男，福建福州人，碩士研究生，2013年于華僑大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事有機電致發(fā)光器件的研究。

E-mail：chenxm8911@163.com

吳志軍(1977-)，男，福建泉州人，博士，副教授，2006于吉林大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事有機電致發(fā)光器件、有機光伏器件及有機薄膜晶體管的研究。

E-mail：quantumoed@126.com

Top-emitting Organic Light-emitting Devices with Different Luminescent Dyes

CHEN Xing-ming，HU Sheng-kun，JIN Yu，WU Zhi-jun*

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

Three kinds of top-OLEDs with fluorescent dyes-green C545t,yellow Rubrene and red DCJTB were fabricated by reasonable design of microcavity structure,and the corresponding optical properties were also studied.The results show that the spectrum of OLEDs can be narrowed by micro-cavity effect.With the increasing of the viewing angle,the spectral peak of green C545t and yellow Rubrene devices don’t change significantly and exhibit independence of the viewing angle,however,an obvious blue shift of red DCJTB device can be observed.The maximum power efficiency of green device is 8.7 lm/W,and the brightness is 7 205 cd/m2with the current density of 45 mA/cm2.The maximum current efficiency of yellow device is 11.5 cd/A,and the brightness is 3 770 cd/m2with the current density of 48 mA/cm2.The maximum current efficiency of red device is 3.54 cd/A,and the brightness is 1 358 cd/m2with the current density of 50 mA/cm2.Not only the chroma and luminous efficiency but also the angle-independence of the top-OLED can be improved by the use of appropriate luminescent material and suitable device structure.

top-emitting organic light-emitting devices；luminescent dyes；microcavity；spectra

1000-7032(2016)04-0446-06

2015-12-03；

2015-12-25

國家自然科學(xué)基金(61404053)；華僑大學(xué)中央基本業(yè)務(wù)費(國家基金培育計劃JB-ZR1143)資助項目

TN383+.1；TN312+.8

A

10.3788/fgxb20163704.0446