電荷生成層中引入超薄金屬Ag層對(duì)串聯(lián)有機(jī)發(fā)光二極管性能的提升?

陶洪 高棟雨 劉佰全 王磊? 鄒建華 徐苗 彭俊彪?

1)(華南理工大學(xué),發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高分子光電材料與器件研究所,廣州 510640)2)(廣州新視界光電科技有限公司,廣州 510730)(2016年8月12日收到;2016年10月14日收到修改稿)

電荷生成層中引入超薄金屬Ag層對(duì)串聯(lián)有機(jī)發(fā)光二極管性能的提升?

陶洪1)2)高棟雨2)劉佰全1)王磊1)?鄒建華1)2)徐苗1)彭俊彪1)?

1)(華南理工大學(xué),發(fā)光材料與器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高分子光電材料與器件研究所,廣州 510640)2)(廣州新視界光電科技有限公司,廣州 510730)(2016年8月12日收到;2016年10月14日收到修改稿)

為了獲得高效、長壽命的白光有機(jī)發(fā)光二極管(white organic light-emitting diode,WOLED),一種方法是將不同顏色的發(fā)光單元通過電荷生成層(charge generation layer,CGL)串聯(lián)起來獲得白光,即串聯(lián)WOLED.其中,CGL的選擇與設(shè)計(jì)是高性能串聯(lián)白光器件的關(guān)鍵.本文首先從綠光OLED著手,通過在CGL層中引入超薄的Ag金屬層,獲得了高效、長壽命的串聯(lián)器件.引入超薄Ag金屬層的綠光串聯(lián)OLED的最大亮度達(dá)到了290000cd/m2,分別是單層器件和無超薄Ag金屬層器件的2.9倍與2.4倍;在1000cd/m2下,引入超薄Ag金屬層的器件電流效率達(dá)到了59.5cd/A,相比于無超薄金屬層的串聯(lián)器件的58.7cd/A,以及非串聯(lián)的單層器件的17.1cd/A,分別增加了1.4%與248%;同時(shí),與無超薄層的串聯(lián)器件相比,引入超薄Ag金屬層的器件工作電壓從8.6 V降為7.2 V;功率效率從21.5lm/W上升為26lm/W.特別地,在初始測(cè)試亮度為10000cd/m2的條件下,包含超薄Ag金屬層的串聯(lián)器件的工作壽命T80超過了250h,與無超薄層串聯(lián)器件僅2.7h壽命相比,提高近100倍.最后,我們使用優(yōu)化后的CGL制備出高性能串聯(lián)WOLED,在1000cd/m2下,電流效率達(dá)到了75.9cd/A,功率效率達(dá)到了36.1lm/W,且10000cd/m2的初始亮度下T80有77h.這些優(yōu)異的器件性能歸結(jié)于超薄金屬層的引入,抑制了Bphen:CsCO3與HAT-CN在界面處的相互擴(kuò)散,同時(shí)也促進(jìn)了載流子的生成與傳輸.這一結(jié)果為設(shè)計(jì)高效且穩(wěn)定的WOLED提供了有效的思路.

有機(jī)電致發(fā)光器件,串聯(lián),壽命,載流子產(chǎn)生層

1引 言

白光有機(jī)發(fā)光二極管(white organic lightemitting diode,WOLED)由于具備高亮度、低功耗、廣視角、超輕薄、可彎曲、容易大面積和加工簡單等優(yōu)點(diǎn),自誕生以來就廣受關(guān)注[1?5].經(jīng)過眾多研究者的努力,WOLED的器件效率已經(jīng)突破了100lm/W[6],但是其工作壽命仍較低,亟待增強(qiáng).為了提高WOLED的工作壽命,研究者將多個(gè)獨(dú)立的發(fā)光單元堆疊起來,使同樣大小的電流先后流經(jīng)多個(gè)不同的發(fā)光單元進(jìn)行共同發(fā)光從而提高發(fā)光亮度與效率,形成了串聯(lián)OLED[7?12].與單元器件相比,串聯(lián)結(jié)構(gòu)器件往往成倍地提高電流效率和發(fā)光亮度,在相同的電流密度下測(cè)量時(shí),換算成單元器件的初始亮度,串聯(lián)OLED器件的壽命將會(huì)大幅提高.在串聯(lián)器件的設(shè)計(jì)與制備中,兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的發(fā)光單元交接處往往需要設(shè)計(jì)一個(gè)功能層,在串聯(lián)器件工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓形成的高電場作用下,該功能層產(chǎn)生電子和空穴對(duì),分別向上下兩個(gè)單元進(jìn)行注入、復(fù)合,使上下兩個(gè)OLED器件單元都能獨(dú)立發(fā)光,該功能層被稱為電荷生成層(charge generation layer,CGL)[13,14].良好的CGL可以讓串聯(lián)OLED的能量消耗在發(fā)光層中以及將器件光學(xué)損失降到最低[15],使串聯(lián)器件發(fā)光亮度和效率成倍增長.因此,CGL層的開發(fā)是串聯(lián)OLED器件發(fā)展的關(guān)鍵[16].

目前,研究者已開發(fā)出了多種不同的CGL結(jié)構(gòu),如常規(guī)的N型摻雜/P型摻雜型CGL(Alq3:Cs3N/NPB:FeCl3)、純有機(jī)P/N結(jié)型CGL(CuPc/F16CuPc)、N型摻雜/金屬氧化物/空穴傳輸層型CGL(Bphen:Li/MoO3/m-MTDATA)等[17?20].眾多的CGL中,N型摻雜/電子接收層/空穴傳輸層型CGL因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、效率高、透過率強(qiáng)、折射率匹配等諸多優(yōu)點(diǎn)一直是研究熱點(diǎn).一般而言,在N型摻雜/電子接收層/空穴傳輸層型CGL中,載流子的產(chǎn)生位于電子接收層與空穴傳輸層的界面處[21].當(dāng)器件處于高電場的作用下時(shí),空穴傳輸層中的電子將會(huì)被電子接受體奪取,經(jīng)其最高占有分子軌道(highest occupied molecular orbital,HOMO)能級(jí)傳輸至電子接收層的最低占有分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital,LUMO)能級(jí)再經(jīng)N型摻雜層傳輸?shù)轿挥谙路降腛LED單元,與從下方陽極界面注入的空穴載流子在發(fā)光層中復(fù)合發(fā)光;空穴傳輸層中剩余的空穴則直接進(jìn)入到上方的OLED單元與上陰極注入的電子復(fù)合發(fā)光[22].

雖然已有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道了N型摻雜/電子接收層/空穴傳輸層型CGL層,但是有關(guān)研究主要集中在如何提高效率上.如換用不同的N型摻雜以提高電子遷移率,選擇不同的材料以更好地滿足CGL結(jié)構(gòu)中的能級(jí)匹配,優(yōu)化CGL層中每層的厚度以降低驅(qū)動(dòng)電壓,尋找更優(yōu)的電子接收體材料或空穴傳輸層材料以便提高電荷的生成、分離能力等[20,23,24].該類型串聯(lián)器件可以增加效率、提高低電流密度下器件的工作亮度,但是卻容易忽略串聯(lián)器件長時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性問題.實(shí)際上,目前大部分串聯(lián)OLED器件的研究都沒有報(bào)道其穩(wěn)定性[25?27].

本文中,我們首先使用了Bphen:CsCO3/HATCN/NPB作為串聯(lián)綠光器件的CGL層.相比單層器件(18.7cd/A),串聯(lián)器件的最大電流效率提高了近2.2倍(59cd/A),但是其工作壽命卻更差,初始測(cè)試亮度為10000cd/m2時(shí),T80僅有2.7h.通過在Bphen:CsCO3/HAT-CN界面處引進(jìn)超薄金屬Ag層進(jìn)行修飾后,器件的電流效率不僅得到了提高(60.4cd/A),串聯(lián)器件的壽命也有了大幅度的增長,比無超薄金屬Ag層的器件在10000cd/m2的初始亮度下的T80提高近100倍,達(dá)到了250h.串聯(lián)器件穩(wěn)定性的巨大提高,得益于超薄金屬Ag層的引入抑制了Bphen:CsCO3與HAT-CN在界面處的相互擴(kuò)散,同時(shí)也促進(jìn)了載流子的生成與傳輸.最后,我們使用優(yōu)化后的CGL制備出高性能的串聯(lián)WOLED,在1000cd/m2亮度下,電流效率達(dá)到了75.9cd/A,功率效率達(dá)到了36.1lm/W,且10000cd/m2的初始亮度下T80有77h.這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)高效且穩(wěn)定的白光OLED提供了有效的指導(dǎo),有利于OLED的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.

2實(shí) 驗(yàn)

為了比較串聯(lián)OLED器件的性能,我們?cè)O(shè)計(jì)了三組器件.其中器件A為單層綠光器件,器件B為無超薄Ag金屬層的串聯(lián)器件,器件C為有超薄Ag金屬層的串聯(lián)器件.通過以上器件,可以有效對(duì)比超薄Ag金屬層對(duì)串聯(lián)器件性能的影響.器件結(jié)構(gòu)如下:

A)ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100nm,4%)/NPB(20nm)/ADN:Ni601(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/Al(100nm);

B)ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100nm,4%)/NPB(20nm)/ADN:Ni601(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/HAT-CN(50nm)/NPB(20nm)/ADN:Ni601(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/Al(100nm);

C)ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100nm,4%)/NPB(20nm)/ADN:Ni601(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen: CsCO3(10nm,50%)/Ag(0.5nm)/HAT-CN(50nm)/NPB(20nm)/ADN:Ni601(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/Al(100nm).其中,MeOTPD(N,N,N′,N′-tetrakis(4-methoxy-phenyl)benzidine)是空穴注入的主體材料,F4-TCNQ(2,3,5,6-tetra fl uoro-7,7,8,8-tetracyano-quinodimethane)是空穴注入摻雜的客體材料;NPB(N,N′-bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine)是空穴傳輸材料;ADN(anthracene,9,10-di-2-naphthalenyl)是綠光主體材料;Ni601是從Nichem公司購買的綠色熒光客體材料;Bebq2(bis(10-hydroxybenzo[h]quinolinato)beryllium)是電子傳輸材料;Bphen(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline)與CsCO3分別為N型摻雜體系的主體與客體材料;HAT-CN(hexaazatriphenylenehexacabonitrile)是空穴注入型材料.串聯(lián)器件的結(jié)構(gòu)示意圖及其對(duì)應(yīng)的CGL層能級(jí)圖如圖1所示.器件的具體制備過程如下:實(shí)驗(yàn)中選用的ITO厚度為170nm,方塊電阻為10 ?/□.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,先將ITO基板經(jīng)單片清洗機(jī)用特殊洗液與純水進(jìn)行超聲清洗3min,高速甩干后將其置于80°C的烘箱內(nèi)干燥20min.然后將ITO基板放入真空度為2×10?7Torr的真空腔體中進(jìn)行真空蒸鍍,蒸鍍順序按結(jié)構(gòu)圖所示依次從空穴注入層開始到Al結(jié)束,蒸鍍過程中有機(jī)材料的蒸鍍速率為0.1nm/s,陰極Al金屬的蒸鍍速率為3nm/s.CGL層中超薄金屬Ag層的蒸鍍速率為0.01nm/s.器件蒸鍍完畢后玻璃基板在氮?dú)猸h(huán)境下用玻璃封裝蓋與環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝,最后在大氣環(huán)境下進(jìn)行切割,測(cè)試器件的發(fā)光面積為3mm×3mm,發(fā)光光譜以及亮度通過CS2000進(jìn)行采集,其發(fā)光亮度、電流密度、驅(qū)動(dòng)電壓等性能經(jīng)由Keithley 2400,Keithley 2000與硅光二極管的電腦集成系統(tǒng)測(cè)試得出.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)串聯(lián)器件結(jié)構(gòu)示意圖;(b)CGL結(jié)構(gòu)能級(jí)圖Fig.1.(color online)(a)Structure diagram of tandem device;(b)energy level diagram of the CGL.

3結(jié)果與討論

圖2分別為三種器件結(jié)構(gòu)的電流密度-電壓-亮度曲線.從圖2中可以明顯看出,器件A,B,C的啟亮電壓分別為2.8,5.6,5.2 V.器件B的啟亮電壓剛好是單層器件A的兩倍,說明了Bphen:CsCO3/HAT-CN/NPB型的CGL層有著良好的電荷生成與分離能力.如圖1(b)所示,在驅(qū)動(dòng)電壓形成的高電場作用下,HAT-CN與NPB界面處將形成一層特殊區(qū)域[28],NPB材料中的電子將會(huì)被HAT-CN吸引直接經(jīng)其LUMO能級(jí)向N型摻雜傳輸進(jìn)入到下方的發(fā)光單元進(jìn)行復(fù)合;而NPB中剩余的空穴載流子則在電場作用下向上部發(fā)光單元的發(fā)光層進(jìn)行注入,從而與經(jīng)由Al電極注入的電子復(fù)合發(fā)光[22].由于HAT-CN的LUMO能級(jí)為6.0eV,與NPB的HOMO能級(jí)相近,使得CGL結(jié)構(gòu)中載流子的產(chǎn)生與分離能迅速進(jìn)行,充分證明了結(jié)構(gòu)、材料選擇的優(yōu)異性.而器件C與器件B相比,在Bphen:CsCO3/HAT-CN界面增加了0.5nm的超薄Ag金屬層,器件啟亮電壓非但沒有因?yàn)椴牧蠈拥脑黾佣?反倒降低了,使得器件C的啟亮電壓比器件B低0.4 V.更為重要的是,三組器件中,器件C的最大發(fā)光亮度達(dá)到了290000cd/m2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于器件A和器件B的100000cd/m2和120000cd/m2.圖3以及表1分別為三組不同器件的亮度-效率曲線圖與器件性能匯總表.從圖3中可以看出,器件A,B,C的電流效率在1000cd/m2分別為17.1,58.7,59.5cd/A.相比于單層器件A,串聯(lián)器件B的最大電流效率并非僅成倍增長,而是達(dá)到了單層器件的3.4倍,提高了240%.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)三組不同器件的電流密度-電壓-亮度曲線Fig.2.(color online)Current density-voltage-luminance characteristics.

器件C的最大發(fā)光亮度遠(yuǎn)大于器件A與器件B,這是因?yàn)?1)串聯(lián)器件相比單層器件而言,復(fù)合發(fā)光層由一層變?yōu)榱藘蓪?因此器件C比器件A的最大亮度要大[29];2)由于串聯(lián)器件中,底部發(fā)光單元的發(fā)光中心與Al電極間的距離大大增加,使得該單元的復(fù)合激子與金屬偶極子間的相互作用、猝滅消失[30],從而使器件B,C的最大亮度明顯提升;3)器件C中,由于超薄金屬Ag層的引入(Bphen:CsCO3/Ag/HATCN/NPB),Bphen:CsCO3與HAT-CN的相互擴(kuò)散淬滅比器件B減少了,同時(shí)由HAT-CN與NPB界面生成的電子載流子可以通過隧穿效應(yīng)更迅速地注入到N型摻雜層中,在下方單元的發(fā)光層中復(fù)合,最終使得器件C的最大亮度比器件B更大[31].為了驗(yàn)證CGL中超薄Ag金屬層的引入能促進(jìn)載流子的注入,我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)G1與G2.器件結(jié)構(gòu)為:Device G1,ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100nm)/NPB(20nm)/HAT-CN(85nm)/Ag(0.5nm)/BPhen:CsCO3(10nm,50%)/Bebq2(15nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);Device G2,ITO/MeO-TPD:F4-TCNQ(100nm)/NPB(20nm)/HAT-CN(85nm)/BPhen:CsCO3(10nm,50%)/Bebq2(15nm)/LiF(1nm)/Al(100nm).如圖4所示,在相同電壓下,引入了超薄Ag金屬層的Device G1的電流密度明顯比沒有超薄Ag金屬層的Device G2要大.從圖2中同樣可以看出,器件B和器件C相比,相同的驅(qū)動(dòng)電壓下,流經(jīng)器件C的電流密度更大,這同樣說明了超薄金屬Ag層的加入非但沒有影響CGL層中載流子的分流傳輸,反而起到了很好的促進(jìn)作用.在電流效率方面,串聯(lián)器件C如此高的電流效率一方面得益于高效的Bphen:CsCO3/HAT-CN/NPB型CGL的作用,另一方面也與整個(gè)串聯(lián)器件的光學(xué)參數(shù)影響有關(guān)[15].比較器件B,C,在Bphen:CsCO3/HAT-CN界面中加入了超薄的金屬Ag層后,器件的電流效率變化不明顯,這也說明了超薄金屬Ag層的插入并沒有對(duì)器件中載流子傳輸、復(fù)合與出射光線的透射、吸收起到大的影響.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)三組不同器件的亮度-效率圖Fig.3.(color online)Luminance-efficiency characteristics.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)有無超薄Ag金屬層CGL結(jié)構(gòu)的電壓-電流密度曲線Fig.4.(color online)Current density-voltage characteristics of di ff erent CGL with or without Ag.

表1 三組不同器件的性能匯總表Table 1.Performance summary table of di ff erent devices.

在OLED照明應(yīng)用中,功率效率為另一關(guān)鍵參數(shù).圖3比較了器件A,B,C的工作亮度-功率效率性能.從圖3和表1中可以看出,器件C的最大功率效率達(dá)到了27.9lm/W,比器件B的25.9lm/W與器件A的12.8lm/W高,甚至是單層器件A的兩倍.相同的工作亮度下更高的功率效率不但意味著器件工作時(shí)更低的驅(qū)動(dòng)電壓與更優(yōu)的發(fā)光方式,同樣意味著該串聯(lián)器件具備了較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì).器件C的功率效率明顯高于器件B,說明了超薄金屬Ag層的引入使得串聯(lián)器件中的驅(qū)動(dòng)電壓降低了,也同樣說明了Bphen:CsCO3/HAT-CN界面中的超薄金屬Ag層可以促進(jìn)載流子傳輸[30].事實(shí)上,在1000cd/m2的工作亮度下,器件C的驅(qū)動(dòng)電壓與器件B相比從8.6 V降到了7.2 V,降低了1.4 V,這無疑能大為減緩器件中有機(jī)材料與界面的老化,有利于器件長時(shí)間的穩(wěn)定工作[20].

圖5 (網(wǎng)刊彩色)三組不同器件的壽命圖Fig.5.(color online)Lifetime of di ff erent devices.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)三組不同器件的工作時(shí)間-驅(qū)動(dòng)電壓曲線Fig.6.(color online)Lifetime-voltage characteristics of di ff erent devices.

為了證明超薄金屬Ag層的引入能提高串聯(lián)器件的穩(wěn)定性,我們比較了三組不同器件的工作壽命.如圖5所示,初始亮度為10000cd/m2的測(cè)試條件下,單層器件A的工作壽命T80為45.5h,無超薄金屬Ag層的串聯(lián)器件B的工作壽命更差,僅為T80=2.7h.相比下,加入了超薄金屬Ag層的器件C,其T80則超過了250h,比器件B提升了91倍.器件C工作壽命的提升明顯是由于CGL中Bphen:CsCO3/HAT-CN界面處0.5nm厚度的超薄金屬Ag層造成,串聯(lián)器件B中,Bphen:CsCO3/HATCN/NPB型CGL結(jié)構(gòu)在高電場的作用下,N型摻雜中的自由離子將會(huì)與HAT-CN材料進(jìn)行相互的擴(kuò)散、反應(yīng)惡化,從而影響CGL層中載流子的生成與傳輸,使得器件的工作亮度迅速衰減,造成整個(gè)器件工作時(shí)的不穩(wěn)定[31].而超薄的金屬Ag層的引入,不但阻隔了Bphen:CsCO3/HAT-CN界面處自由離子的相互擴(kuò)散,還能使從HAT-CN界面?zhèn)鬏斶^來的電子經(jīng)隧穿作用更為有效地注入到N型摻雜中,減少界面處的電荷積累[30],從而使整個(gè)器件的效率與穩(wěn)定性都得到提高[32].這一解釋可以從圖5中器件B的亮度較器件C迅速降低得到證明,另一方面也可從圖6中器件B和器件C在長時(shí)間的恒定電流密度點(diǎn)亮條件下,其驅(qū)動(dòng)電壓變化情況解釋.器件B在開始點(diǎn)亮的50h內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓快速地由12.5 V升高到20 V,升高了7.5 V,說明了高電場下Bphen:CsCO3/HAT-CN界面的擴(kuò)散與惡化十分迅速,使得CGL層中載流子的生成、分離能力變差,載流子在界面處形成堆積,器件中維持相同的電流密度必須施加更高的驅(qū)動(dòng)電壓[33];而器件C由于超薄金屬Ag層的存在,CsCO3蒸鍍后形成的Cs+離子將會(huì)被阻隔在Bphen/HAT-CN界面,從而沒法與HAT-CN材料形成Cs+-(HATCN)?形態(tài)增加載流子注入的障礙,充分穩(wěn)定了界面間的擴(kuò)散[28,34],使得盡管器件工作了250h,器件C的驅(qū)動(dòng)電壓與剛開始測(cè)試時(shí)相比僅升高了1 V左右,保持了良好的穩(wěn)定性.另一方面,參照上海大學(xué)Yu等[35]的工作成果,同樣能解釋器件C穩(wěn)定性變好的原因.Yu等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)OLED器件中的材料層厚度足夠薄時(shí),其表面形貌將呈島狀結(jié)構(gòu).本實(shí)驗(yàn)中引入的Ag金屬層為0.5nm的超薄層,其在Bphen:CsCO3/HAT-CN界面中的島狀結(jié)構(gòu)能增大Ag金屬原子與Bphen及HAT-CN材料的接觸面積,從而降低Cs+-(HAT-CN)?形成的概率,穩(wěn)定了材料界面.但是,當(dāng)金屬Ag層的厚度繼續(xù)增大時(shí),島狀結(jié)構(gòu)將逐漸增大,從而引起器件的漏電流增大,驅(qū)動(dòng)電壓升高,降低器件性能.

利用含Ag層的CGL結(jié)構(gòu)后,設(shè)計(jì)了一個(gè)串聯(lián)白光器件Device D,結(jié)構(gòu)為:ITO/MeOTPD:F4-TCNQ(100nm,4%)/NPB(15nm)/TCTA(5nm)/PT-604:Ir(dmppy)2(dpp)(40nm,20%)/Bepp2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/Ag(0.5nm)/HAT-CN(85nm)/NPB(20nm)/MADN:DSA-ph(40nm,5%)/Bebq2(15nm)/Bphen:CsCO3(10nm,50%)/Al(100nm).其中,TCTA(trichlorothiolaceticacid)是電子阻擋材料,Ir(dmppy)2(dpp)是磷光黃光客體材料,PT-604為從Lumtec公司購買的主體材料,Bepp2(hydroxyphenyl-pyridineBeryllium complex)是電子傳輸材料,MADN(2-tertbutyl-9,-10-di(2-naphthyl)anthrac是藍(lán)光主體材料,DSA-ph(4-di-[4-(N,N-diphenyl)aMino]styryl-benzene)是藍(lán)光客體材料.

圖7 器件D的光譜圖(插圖為串聯(lián)白光器件D的壽命圖)Fig.7.Spectrum of device D(inset:the lifetime of device D).

使用了Bphen:CsCO3/Ag/HAT-CN/NPB結(jié)構(gòu)作為連接層的串聯(lián)白光器件在11mA/cm2的電流密度下的歸一化光譜如圖7所示,其CIE坐標(biāo)值為(0.4084,0.4493),屬于白光范疇[36?40].器件的啟亮電壓(1cd/m2)低至4.6 V,充分證明了含Ag層CGL結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能.當(dāng)器件的驅(qū)動(dòng)電壓從6 V增大至10 V時(shí),器件的亮度由292cd/m2增大到15693cd/m2,且器件的色坐標(biāo)變化僅為(0.037,0.028),體現(xiàn)了白光器件在不同驅(qū)動(dòng)電壓下優(yōu)良的光譜穩(wěn)定性(圖8).

圖9是串聯(lián)白光器件的亮度-效率性能圖,在1000cd/m2的亮度下,其電流效率達(dá)到了75.9cd/A,功率效率達(dá)到36.1lm/W.我們同樣測(cè)試了該串聯(lián)白光器件的壽命,如圖7中插圖所示.在10000cd/m2的初始亮度下,其T80仍可達(dá)77h.串聯(lián)結(jié)構(gòu)的白光器件如此優(yōu)異的性能表現(xiàn)歸功于使用了高效的CGL結(jié)構(gòu),其超薄金屬Ag層的存在有助于載流子的生成與傳輸,同樣抑制Bphen:CsCO3/HAT-CN界面的相互擴(kuò)散,保證了串聯(lián)白光器件的上下兩個(gè)發(fā)光單元可以穩(wěn)定地獨(dú)立工作.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)器件D不同驅(qū)動(dòng)電壓下的光譜圖Fig.8.(color online)Spectrum of device D at di ff erent voltage.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)器件D的電流效率-亮度-功率效率圖Fig.9.(color online)Current efficiency-luminancepower efficiency characteristics of devices D.

4結(jié) 論

本文詳細(xì)研究了單層綠光OLED器件A,采用Bphen:CsCO3/HAT-CN/NPB作為串聯(lián)CGL層的器件B,以及添加0.5nm超薄Ag層以Bphen:CsCO3/Ag/HAT-CN/NPB為CGL層的串聯(lián)器件C,三組不同結(jié)構(gòu)OLED器件的驅(qū)動(dòng)電壓、效率與工作壽命等性能情況.結(jié)果顯示,器件B在電流效率上較單層器件A提高了近2倍,但其存在驅(qū)動(dòng)電壓過高,工作壽命更短的缺點(diǎn).通過在Bphen:CsCO3/HAT-CN界面中引入超薄的金屬Ag層進(jìn)行修飾后,形成Bphen:CsCO3/Ag/HATCN/NPB結(jié)構(gòu)的CGL層,獲得的串聯(lián)器件C的驅(qū)動(dòng)電壓在1000cd/m2亮度下相比于器件B降低了1.4 V;并且器件C在初始亮度為10000cd/m2時(shí)的工作壽命T80與器件B相比提高了近100倍,超過了250h,比單層器件A的壽命也提高了4.5倍.利用優(yōu)化后的CGL層研制的串聯(lián)結(jié)構(gòu)白光器件,在1000cd/m2下,電流效率可達(dá)75.9cd/A,功率效率可達(dá)36.1lm/W,且在10000cd/m2測(cè)試壽命時(shí)T80仍有77h,其性能提升歸結(jié)于超薄金屬Ag層的引入抑制了Bphen:CsCO3/HAT-CN在高電場作用下的相互擴(kuò)散、導(dǎo)致界面惡化,同時(shí)超薄Ag層的存在也有利于整個(gè)CGL層中載流子的生成與傳輸.這一研究成果為研制高性能長壽命OLED器件提供了一種思路.

[1]Liu B Q,Gao D Y,Wang J B,Zou J H,Peng J B 2015 Acta Phys.-Chim.Sin.31 1823(in Chinese)[劉佰全,高棟雨,王劍斌,鄒建華,彭俊彪 2015物理化學(xué)學(xué)報(bào) 31 1823]

[2]Liu B Q,Tao H,Su Y J,Gao D Y,Lan L F,Zou J H,Peng J B 2013 Chin.Phys.B 22 077303

[3]Liu B Q,Luo D X,Zou J H,Gao D Y,Ning H L,Wang L,Peng J B,Cao Y 2015 J.Mater.Chem.C 3 6359

[4]Nishimoto T,Yasuda T,Lee S Y,Kondo R,Adachi C 2014 Mater.Horiz.1 264

[5]Zhang D,Duan L,Zhang Y,Cai M,Zhang D,Qiu Y 2015 Light Sci.Appl.4 232

[6]Meyer J,Shu A,Kr?ger M,Kahn A 2010 Appl.Phys.Lett.96 133308

[7]Wang Q,Ma D G 2010 Chem.Soc.Rev.39 2387

[8]Kanno H,Giebink N C,Sun Y,Forrest S R 2006 Appl.Phys.Lett.89 023503

[9]Zhang H M,Dai Y F,Ma D G 2008 J.Phys.D:Appl.Phys.41 102006

[10]Chiba T,Pu Y J,Kido J 2015 Adv.Mater.27 4681

[11]Ho fl e S,Bernhard C,Bruns M,Kubel C,Scherer T,Lemmer U,Colsmann A 2015 ACS Appl.Mater.Interfaces 7 8132

[12]Ran G Z,Jiang D F,Kan Q,Chen H D 2010 Appl.Phys.Lett.97 233304

[13]Chen Y H,Chen J S,Ma D G,Yan D H,Wang L X,Zhu F R 2011 Appl.Phys.Lett.98 243309

[14]Liu J,Shi X D,Wu X K,Wang J,He G F 2015 J.Disp.Technol.11 4

[15]Kanno H,Holmes R J,Sun Y,Kena-Cohen S,Forrest S R 2006 Adv.Mater.18 339

[16]Chen C W,Lu Y J,Wu C C,Wu E H,Yang Y 2005 Appl.Phys.Lett.87 241121

[17]Hamwi S,Meyer J,Kroger M,Winkler T,Witte M,Riedl T,Kahn A,Kowalsky W 2010 Adv.Funct.Mater.20 1762

[18]Zhou D Y,Shi X B,Liu Y,Gao C H,Wang K,Liao L S 2014 Org.Electron.15 3694

[19]Chen C W,Lu Y J,Wu C C,Wu E H,Chu C C,Yang Y 2005 Appl.Phys.Lett.87 241121

[20]Sun H D,Chen Y H,Chen J S,Ma D G 2016 IEEE J.Sel.Top.Quant.Electron.22 1

[21]Meyer J,Kroger M,Hamwi S,Gnam F,Riedl T,Kowalsky W,Kahn A 2010 Appl.Phys.Lett.96 193302

[22]Liao L S,Klubek K P,Tang C W 2004 Appl.Phys.Lett.84 167

[23]Leem D S,Lee J H,Kim J J,Kang J W 2008 Appl.Phys.Lett.93 103304

[24]Lee S H,Lee J H,Kim K H,Yoo S J,Kim T G,Kim J W,Kim J J 2012 Org.Electron.13 2346

[25]Kim D H,Kim T W 2014 Org.Electron.15 3452

[26]Qi X F,Slootsky M,Forrest S 2008 Appl.Phys.Lett.93 193306

[27]Liao L S,Klubek K P 2008 Appl.Phys.Lett.92 223311

[28]Law C W,Lau K M,Fung M K,Chan M Y,Wong F L,Lee C S,Lee S T 2006 Appl.Phys.Lett.89 133511

[29]Wang Y P,Mi B X,Gao Z Q,Guo Q,Wang 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]

[30]Zhou D Y,Zu F S,Zhang Y J,Shi X B,Aziz H,Liao L S 2014 Appl.Phys.Lett.105 083301

[31]Sun H D,Guo Q X,Yang D Z,Chen Y H,Chen J S,Ma D G 2015 ACS Photon.2 271

[32]Zhao Y B,Tan S T,Demir H V,Sun X W 2015 Org.Electron.23 70

[33]Diez C,Reusch T C G,Lang E,Dobbertin T,Brütting W 2012 J.Appl.Phys.111 103107

[34]Zhou D Y,Siboni H Z,Wang Q,Liao L S,Aziz H 2014 J.Appl.Phys.116 223708

[35]Yu J N,Lin H,Tong L,Li C,Zhang H,Zhang J H,Wang Z X,Wei B 2013 Phys.Status Solidi A 210 408

[36]Liu B Q,Xu M,Wang L,Tao H,Su Y J,Gao D Y,Lan L F,Zou J H,Peng J B 2014 Nano-Micro Lett.6 335

[37]Liu B Q,Xu M,Tao H,Su Y J,Gao D Y,Zou J H,Lan L F,Peng J B 2014 Chin.Sci.Bull.59 3090

[38]Liu B Q,Wang L,Gao D Y,Xu M,Zhu X H,Zou J H,Lan L F,Ning H L,Peng J B,Cao Y 2015 Mater.Horiz.2 536

[39]Fan C,Yang C,Chem 2014 Soc.Rev.43 6439

[40]Yang X,Zhou G,Wong W Y 2015 Chem.Soc.Rev.44 8484

PACS:73.21.Ac,73.40.Lq,73.40.Jn,73.61.PhDOI:10.7498/aps.66.017302

*Project supported by the National Key Basic Research and Development Program of China(Grant No.2015CB655004),National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.61574061,61574062),Science and Technology Program of Guangdong Province,China(Grant Nos.2014B090916002,2015B090915001,2015B090914003),Special Support Program of Guangdong Province,China(Grant No.2014TQ01C321),China Post-Doctoral Science Foundation(Grant Nos.2015M582380,2016M590779)and Pear River S&T Nova Program of Guangzhou,China(Grant Nos.201506010015,201505051412482).

?Corresponding author.E-mail:mslwang@scut.edu.cn

?Corresponding author.E-mail:psjbpeng@scut.edu.cn

Enhancement of tandem organic light-emitting diode performance by inserting an ultra-thin Ag layer in charge generation layer?

Tao Hong1)2)Gao Dong-Yu2)Liu Bai-Quan1)Wang Lei1)?Zou Jian-Hua1)2)Xu Miao1)Peng Jun-Biao1)?

1)(Institute of Polymer Optoelectronic Materials and Devices,State Key Laboratory of Luminescent Materials and Devices,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)2)(New Vision Opto-Electronic Technology Co.,Ltd,Guangzhou 510730,China)(Received 12 August 2016;revised manuscript received 14 October 2016)

White organic light-emitting diodes(WOLEDs)have attracted both scienti fi c and industrial interest in the solidstate lighting and display applications due to their exceptional merits,such as high luminances,low power consumptions,high efficiencies,fast response times,wide-viewing angles, fl exibilities and simple fabrications.The power efficiency of WOLED has been step-by-step improved in the last 20years,however,the lifetime of WOLED is still unsatisfactory,which greatly restricts the further development of WOLED.In general,the tandem structure can be used to obtain high-efficiency and long-lifetime WOLED.One of the most important features of this kind of structure is that the di ff erent-colors emitting units can be connected by the charge generation layer.Therefore,the key to achieving a highperformance tandem device is how to design the charge generation layer.In this paper,we fi rst develop a tandem green OLED by using an e ff ective charge generation layer with an ultra-thin Ag layer between 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline:CsCO3and hexaazatriphenylenehexacabonitrile,achieving high luminance,low voltage,high efficiency and long lifetime.The green tandem device with ultra-thin Ag layer(device C)obtains a highest luminance of 290000cd/m2,which is 1.4and 1.9times higher than those of the tandem devices without ultra-thin Ag(device B)and singleunit device(device A),respectively.The driving voltage of device C is 7.2 V at 1000cd/m2,1.4 V lower than that of device B.Besides,the maximum current efficiency of device C is 60.4cd/A,which is 2.4%and 220%higher than those of device B(59cd/A)and device A(18.7cd/A),respectively.The power efficiency of device C is 26lm/W,which is 21%higher than that of device B(21.5lm/W).Moreover,the lifetime(T80)of device C reaches 250h at an initial luminance of 10000cd/m2,which is nearly 100times higher than that of device B(2.7h).Finally,we fabricate a white tandem device with the optimized charge generation layer,achieving a current efficiency and power efficiency of 75.9cd/A and 36.1lm/W at 1000cd/m2,respectively.In addition,the lifetime(T80)is 77h at an initial luminance of 10000cd/m2.All the excellent performances are ascribed to the introduction of the ultra-thin Ag layer into the charge generation layer,which can e ff ectively block the charge generation layer from di ff using.This exciting discovery can provide an e ff ective way to design efficient and stable WOLED,which is bene fi cial to the solid-state lighting and display markets.

organic light-emitting device,tandem,lifetime,charge generation layer

10.7498/aps.66.017302

?國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(批準(zhǔn)號(hào):2015CB655004)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):61574061,61574062)、廣東省科技計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2014B090916002,2015B090915001,2015B090914003)、廣東省特支計(jì)劃科技創(chuàng)新青年拔尖人才項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2014TQ01C321)、中國博士后科研基金(批準(zhǔn)號(hào):2015M582380,2016M590779)和廣州市珠江科技新星專項(xiàng)(批準(zhǔn)號(hào):201506010015,201505051412482)資助的課題.

?通信作者.E-mail:mslwang@scut.edu.cn

?通信作者.E-mail:psjbpeng@scut.edu.cn