基于雙極性激基復(fù)合物混合主體的高性能暖白光OLED器件

陳 琛，曹萬山，李培頂，程澤遠(yuǎn)，唐婷婷，袁 曦，汪 津

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

0 引言

近年來，白色有機(jī)發(fā)光器件(White organic light-emitting devices (WOLEDs))以其高分辨率和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢，在OLED研究領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注[1-3].此外，它還可以應(yīng)用于固態(tài)光源和液晶顯示器的背光[4].為了進(jìn)一步滿足OLED應(yīng)用要求，研究人員設(shè)計(jì)了一系列雙極性材料[5-6].對于雙極性主體材料而言，在具有良好導(dǎo)電性的同時具有較大的帶隙是難以兼得的.除了化學(xué)合成法外，還經(jīng)常使用另外兩種方法來制備雙極性混合主體，一種是合成由空穴傳輸單元和電子傳輸單元組成的新材料[7-9]，另一種則是使用空穴傳輸材料用作主體材料摻雜電子傳輸材料，以實(shí)現(xiàn)混合主體材料[10-12].

在我們之前的研究中發(fā)現(xiàn)，激基復(fù)合物作為混合主體可以有效降低驅(qū)動電壓，提高器件效率[13].本文使用激基復(fù)合物分子來提供藍(lán)光發(fā)射，并通過控制能量轉(zhuǎn)移來優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，最終獲得的白光OLED器件的功率效率超過100 lm/W.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)所需材料與器件制備

實(shí)驗(yàn)中所用主要有機(jī)材料名稱和化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中所有的有機(jī)材料均采購自西安寶萊特光電科技有限公司，并且使用前未經(jīng)處理.實(shí)驗(yàn)中使用遼寧優(yōu)選新能源科技有限公司預(yù)刻蝕陽極圖案的ITO導(dǎo)電玻璃作為襯底，其中ITO層厚度約為180 nm，方阻為15 Ω/sq.襯底使用前先將其放入專用清洗花籃中用ITO導(dǎo)電玻璃專用堿性清洗液超聲清洗處理10 min，確保去除ITO表面的有機(jī)物與雜質(zhì)顆粒，然后依次使用異丙醇和去離子水超聲10 min以去除清洗液殘留.之后使用氮?dú)鈽尨蹈梢r底表面并移至控溫為130 ℃的真空干燥箱中干燥60 min.最后將干燥處理后的襯底轉(zhuǎn)移至多源有機(jī)氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行器件制備.

圖1 本實(shí)驗(yàn)中所用主要有機(jī)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖

1.2 器件測試與表征

器件蒸鍍設(shè)備為沈陽市久達(dá)高真空技術(shù)研究所JD400C多源有機(jī)氣相沉積系統(tǒng).蒸鍍過程中，器件的各功能層膜厚與實(shí)時蒸鍍速率通過英?？礢QC-310石英晶體膜厚控制儀進(jìn)行在線同步監(jiān)測.器件的有效發(fā)光面積約為9 mm2.器件的亮度、電壓、電致發(fā)光光譜以及色度相關(guān)數(shù)據(jù)通過吉時利源表Keithley-2400和PR655分光輻射亮度計(jì)組成的測試系統(tǒng)進(jìn)行測試[14]，并且所有測試均在室溫(20 ℃)大氣環(huán)境中進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

基于雙波段原理調(diào)配OLED的白光發(fā)射相對多波段更為容易，可以有效降低工藝難度.在之前研究工作的基礎(chǔ)上將空穴型主體材料mCP摻雜電子傳輸材料PO-T2T以提升主體材料載流子傳輸效果與載流子平衡，同時降低OLEDs啟亮電壓這一核心思想對白光OLEDs進(jìn)行設(shè)計(jì).

2.1 基于激基復(fù)合物混合主體的藍(lán)光OLEDs

首先利用具有熱致延遲熒光特性的2CZPN作為藍(lán)光染料以研究TADF材料在激基復(fù)合物混合主體中的光電性能.藍(lán)光OLEDs的器件結(jié)構(gòu)為ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/X(10 nm)/PO-T2T (50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm)，其中X分別為MCP∶PO-T2T (1∶1)、MCP∶2CzPN (10%)和MCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%).

藍(lán)光OLEDs的電壓-電流密度特性曲線如圖2 (A)所示.其中明顯看出在相同的電壓下，mCP與PO-T2T的電流密度最低，這是由于mCP和PO-T2T之間較高的勢壘差(-1.0 eV)導(dǎo)致的.同時發(fā)現(xiàn)，因?yàn)?CzPN與PO-T2T的勢壘差(-0.4 eV)相對較小故而有效地降低了電子的傳輸勢壘，圖中摻入2CzPN的器件的電流密度得到了大幅提升.在相同的電壓下，相對于傳統(tǒng)空穴型主體材料mCP，激基復(fù)合物混合主體器件展現(xiàn)出更高的電流密度，這可能是由于電子傳輸材料PO-T2T的摻入有效地提升了空穴型主體材料mCP載流子平衡能力導(dǎo)致的.圖2(B)中可以看出mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%)的峰值電流效率為25.6 cd/A遠(yuǎn)高于非激基復(fù)合物混合主體器件(mCP∶2CzPN (10%))也佐證了PO-T2T可以有效提升空穴型主體材料mCP載流子平衡能力這一觀點(diǎn).圖2(C)中基于混合主體的器件展現(xiàn)出高達(dá)16 560 cd/m2的峰值亮度，幾乎是非混合主體的2.5倍，說明對于TADF材料而言，相較于傳統(tǒng)主體材料，激基復(fù)合物混合主體在能量傳遞方面由于具有更加復(fù)雜多樣的單、三線態(tài)能級能充分地為發(fā)光染料傳遞更多的能量.從圖2(D) 基于不同主體的藍(lán)光OLEDs歸一化電致發(fā)光光譜可以看出，mCP∶2CzPN(10%)在510 nm處展現(xiàn)了其特征PL峰，而采用mCP∶PO-T2T的藍(lán)光OLED器件發(fā)光峰出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移動并且半峰寬明顯變寬.這主要是由于mCP∶PO-T2T的激基復(fù)合物的PL峰在481 nm處，因此半峰寬出現(xiàn)了明顯的藍(lán)移.

圖2 基于不同主體的藍(lán)光OLEDs電壓-電流密度特性曲線(A)、電壓-電流效率特性曲線(B)、電壓亮度特性曲線(C)和歸一化電致發(fā)光光譜(D)

2.2 基于雙極性激基復(fù)合物混合主體的暖白光OLEDs

基于藍(lán)光OLEDs的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了如下白光器件，器件結(jié)構(gòu)如圖3所示.將基于藍(lán)光TADF染料2CzPN與黃色磷光染料PO-01-TB的發(fā)光層通過簡單的堆疊構(gòu)成發(fā)光層.因?yàn)橹黧w的雙極性特性，激子將分布于整個激子產(chǎn)生區(qū).為了獲得最佳的暖白光效果并驗(yàn)證激基復(fù)合物混合主體藍(lán)光區(qū)和黃光區(qū)位置對于白光器件光電性能的影響，通過濃度和厚度的優(yōu)化后設(shè)計(jì)如下器件：W1∶ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/MCP (10 nm)/mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%，10 nm)/mCP∶PO-T2T∶PO-01-TB (1∶1，3%，3 nm)/PO-T2T (50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm)；W2∶ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/mCP (10 nm)/mCP∶PO-T2T∶PO-01-TB (1∶1∶3%，3nm)/mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1∶10%，10nm)/PO-T2T(50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm).

器件W1和W2的區(qū)別在于黃光區(qū)和藍(lán)光區(qū)的位置不同，W1中黃光區(qū)位于電子傳輸層一側(cè)，藍(lán)光區(qū)位于空穴傳輸層一側(cè)，而W2則與之相反.在空穴傳輸層后利用主體材料MCP作為電子阻擋層，將來自陰極的電子阻擋在客體的周圍，阻止其進(jìn)一步向空穴傳輸層遷移，防止多余的能量損耗.

從圖4 (A)白光器件的歸一化電致發(fā)光光譜能夠看出，藍(lán)光區(qū)和黃光區(qū)位置的變化對器件的光譜基本沒有影響.這是因?yàn)榛诩せ鶑?fù)合物混合主體具有雙極性特性，器件激子產(chǎn)生區(qū)位于兩側(cè)，同時向中間層擴(kuò)散，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，兩側(cè)摻雜客體的效果是等同的，因而對光譜幾乎沒有影響.但是同一個器件在不同的電壓下表現(xiàn)出不同的光譜特征，其主要原因是隨著電壓的改變，激子的復(fù)合區(qū)域在發(fā)生變化[15].圖4(B)和(C)為器件W1、W2在不同電壓下的歸一化電致發(fā)光光譜.當(dāng)藍(lán)光區(qū)位于陽極一側(cè)，黃光區(qū)位于陰極一側(cè)時，隨著電壓的增加，藍(lán)光的發(fā)光強(qiáng)度逐漸減弱；而將藍(lán)光層與黃光層對調(diào)后，光譜呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律.因此可以認(rèn)為隨著電壓的增加，激子的主要復(fù)合區(qū)域在朝著陰極的一側(cè)移動，黃光區(qū)和藍(lán)光區(qū)的位置關(guān)系對白光器件的光譜幾乎沒有影響.

圖3 白光OLEDs的結(jié)構(gòu)

圖4(D)顯示了器件W1和W2的外量子效率-電流密度特性曲線.兩個器件的啟亮電壓約為2.6 V，其中器件W2展現(xiàn)出更好的光電性能，其最大電流效率、外量子效率和功率效率分別可以達(dá)到87.6 cd/A、25.55%、110 lm/W.而W1的最大電流效率、外量子效率和功率效率分別為84.7 cd/A、23.6%、80.90 lm/W.同時發(fā)現(xiàn)器件W1隨著電流密度的增加相對滾降更加明顯.造成效率滾降的原因有很多，但主要的原因來自濃度淬滅效應(yīng)[16].

圖4 白光器件的歸一化電致發(fā)光光譜(A)、器件W1和W2在不同電壓下的歸一化電致發(fā)光光譜(B—C)、器件W1和W2的外量子效率-電流密度特性曲線(D)

3 結(jié)論

本文驗(yàn)證了mCP和PO-T2T組成的雙極性激基復(fù)合物混合主體作為TADF材料的母體依然具有較為優(yōu)越的光電性能.基于該主體制備的藍(lán)光器件的電流效率可以達(dá)到25.6 cd/A，最大亮度為16 560 cd/m2.在藍(lán)光器件的基礎(chǔ)上構(gòu)成的暖白光OLED器件獲得的最大外量子效率和功率效率分別可以達(dá)到25.55%和110 lm/W.相信隨著雙極性混合主體的進(jìn)一步開發(fā)，可以獲得性能更加優(yōu)越的白光OLED器件.