具有新型雙空穴注入層的有機發光二極管*

劉佰全 蘭林鋒 鄒建華? 彭俊彪

1)(華南理工大學高分子光電材料與器件研究所,廣州 510640)

2)(發光材料與器件國家重點實驗室,廣州 510640)

(2012年11月30日收到;2012年12月17日收到修改稿)

1 引言

耗低、

由于視有角機廣發以光及二響極應管速度(O快LE等D優)具異有性亮能度[1高],、并功在顯示和照明領域有廣闊應用前景,受到學者和業界的廣泛重視而成為研究熱點.20多年來,眾多的科研工作者為了提高OLED的性能,對OLED進行了大量的探索和研究[2-6].進一步提高效率、降低功獲耗得一較直低是的驅OL動E電D研壓究,改的善主空題穴.為注了入使對提OL升ED O器LE件D器件的性能至關重要.文獻里報道過多種空穴注入層,如MoO3[7],CuPc[8],m-MTDATA[9]等.對降低器件工作電壓,提高器件效率和穩定性具有很大影響.雙空穴注入層能在器件陽極和空穴傳輸層之間形成階梯勢壘,這樣更能有利于空穴的注入和傳輸,進而提高器件的發光性能[10-12].因此,具有雙空穴注入層結構的OLED器件引起了人們的重視.最近,Zhang等[10]使用兩種無機物(Au/V2O5)做雙空穴注入層,研究了器件的發光性能,發現單空穴注入層V2O5和雙空穴注入層Au/V2O5導致器件的性能差異較大,具有雙空穴注入層Au/V2O5的器件效率較高.Hou等[11]在倒置型頂發射OLED器件中,使用無機/有機(MoO3/C60)作為雙空穴注入層,器件與單空穴注入層MoO3或C60相比,其性能也得到較大提高.Lin等[12]也報道了兩種無機物Ag2O/MoOx作雙空穴注入層的OLED器件,該器件的工作電壓得到降低,電流效率和功率效率均得到很大提高.另外,雙空穴注入層Pt/Pr2O3[13],PEDOT/MoO3[14]等也能很好地提高OLED器件性能.

盡管眾多科研工作者對具有雙空穴注入層結構的OLED器件進行了大量的研究,但從未使用過 “有機物/有機物”雙空穴注入層來提高器件的性能.本文將使用 N,N,N′,N′-tetrakis(4-Methoxy-phenyl)benzidine/Copper phthalocyanine(MeO-TPD/CuPc)構成新型雙空穴注入層,并應用在綠色熒光OLED中.通過對比研究發現,使用該新型雙空穴注入層的OLED器件的空穴注入能力得到很大提高,器件的亮度、功率效率等大幅上升.該器件的起亮電壓為3.2 V,亮度在10 V時有最大值23893 cd/m2,并且器件的最大的功率效率達到1.91 lm/W.

2 實驗

為了對比研究具有新型雙空穴注入層OLED的器件性能,設計了如下器件結構：

A,ITO/NPB(45 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

B,ITO/MeO-TPD(15 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

C,ITO/CuPc(15 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm);

D,ITO/MeO-TPD(15 nm)/CuPc(15 nm)/NPB(15 nm)/Alq3(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(120 nm)

其中,Alq3(8-hydroxyquinoline)為電子傳輸層兼發光層,NPB(N,N′-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine)為空穴傳輸層,MeO-TPD,CuPc為空穴注入層,LiF為電子注入層,Al和ITO分別為器件的陰極和陽極.器件D的結構及其對應的能級圖,如圖1所示.

圖1 器件D的結構和能級圖

器件的制備過程如下：將ITO玻璃片依次用丙酮、異丙醇、洗液、水、異丙醇各超聲10 min,然后置于80°C的烘烤箱中干燥12 h.放入真空室,在10-4Pa真空度下,通過熱蒸鍍方式制備各層有機薄膜,蒸發速率分別為：LiF和CuPc為0.02 nm/s,其他有機層為0.1 nm/s,金屬Al在厚度小于10 nm時蒸發速率控制在0.05 nm/s,厚度大于10 nm時速率為0.5 nm/s.器件的各層厚度由Sycon公司生產的STM-100型石英晶體振蕩膜厚測試儀進行實時監控,電壓-電流(V-I)和亮度-電壓(L-V)特性用Keithley公司生產的236型電流電壓源和硅-光電二極管完成,并通過光度計PR-705對所得到的數據進行校準.器件制備完成后沒有進行封裝處理,器件的測量均在充滿氮氣保護的手套箱內在室溫下進行.所有器件的有效發光面積為0.15 cm2.

3 分析和討論

圖2 電壓-亮度曲線

圖3 J-V曲線

圖2 和圖3分別是器件A,B,C,D的L-V曲線和電流密度-電壓(J-V)曲線.從電壓-亮度曲線中可以看出,器件D的起亮電壓為3.2 V,器件A,B,C分別為5.2,3.5,3.3 V,器件D比器件A,B,C的起亮電壓分別降低了2,0.3,0.1 V.在10 V時,器件D具有最大亮度為23893 cd/m2,而器件A,B,C的最大亮度為19065,19699,20608 cd/m2,對應的電壓分別為13.25,11.5,10.5 V.器件D的最大亮度比器件A,B,C的最高亮度分別提高了25%,21%,16%.從圖2中可見,在同一亮度下,驅動器件D的電壓比驅動器件A,B,C的電壓低.在發光亮度為1000 cd/m2時,器件A,B,C,D的工作電壓分別為10,7.75,6.3,6.1 V.器件D的工作電壓比器件A,B,C的電壓分別降低了3.9,1.65,0.2 V.從J-V曲線中可以看出,由于ITO/NPB界面的空穴注入勢壘較大,因此沒有空穴注入層的器件A的電流密度較小.在相同電壓下,器件B,C與A相比,都具有更大的電流密度,說明通過引入空穴注入層,器件的空穴注入能力得到較大提高.而該新型雙空穴注入層更有利于空穴的注入,因此在相同電壓下器件D的電流密度最大,這也導致器件D有最高的亮度.

圖4和圖5分別是器件A,B,C,D的電流密度-發光效率和電流密度-功率效率曲線.由于在該材料和結構的有機發光器件中,空穴是主要的載流子[15],加入空穴注入層后,空穴的注入能力將得到很大提高,這導致器件中的空穴和電子濃度將更加不平衡[16],因此器件B,C,D的最大發光效率都低于器件A的最大發光效率(4.37 cd/A).但是當電流密度較大時,器件A的發光效率衰減最快,器件B,C,D的發光效率相對穩定,并且當電流密度大于230 mA/cm2以后,器件D的發光效率比器件A高,這是因為陽極ITO薄膜中釋放的氧原子會使空穴傳輸材料性能變差,最終導致器件性能變差[17].在陽極ITO與空穴傳輸層之間插入空穴注入層,能有效降低ITO對空穴傳輸材料的影響,使得器件穩定性提高[18,19],因此器件B,C,D的性能都比器件A穩定.另外,器件D的發光效率比器件B,C的發光效率高,原因可能是具有新型雙空穴注入層的器件D能有效提高空穴的注入和傳輸(下文將進行分析),這將減少界面間的載流子積累以及降低空穴陷阱,因此有更高的發光效率[20],這些結果與文獻中報道的一致[12,16].從圖5中可以看出,在相同電流密度下,器件D的功率效率都比A,B,C的要高,這是因為器件的功率效率與工作電壓有關,較低的工作電壓可產生較高的功率效率.具有新型雙空穴注入層(MeO-TPD/CuPc)的器件D由于具有最低的工作電壓,所以具有最大的功率效率1.91 lm/W,與器件A,B,C的最大功率效率相比,分別提高了43%(1.34 lm/W),22%(1.57 lm/W),7%(1.79 lm/W).器件功率效率的提高可以大幅降低器件的功耗,有利于延長器件的壽命.

圖4 電流密度-發光效率曲線

圖5 電流密度-功率效率曲線

對于器件性能提高的原因,可以從圖1中知道,ITO的功率函數為4.7 eV[17],MeO-TPD,CuPc,NPB的HOMO能級分別為5.1[18],5.24[19],5.4 eV[20].通過在陽極ITO和空穴傳輸層NPB之間引入雙空穴注入層,器件的HOMO能級上形成了階梯勢壘,這更有利于空穴的注入,因此降低了器件的工作電壓和提高了器件的亮度.

為了探索空穴注入和傳輸特性提高的原因,我們制備了以下單空穴型器件：

首先，拓展實驗是以教材實驗為起點，建立在對教材實驗充分掌握的基礎之上，可以促進教材實驗教學目標的達成。其次，相對教材實驗探究，拓展實驗具有自主性、開放性和未知性的特點，給學生留有廣闊的思維空間和探究視域。拓展實驗需要學生的全程參與和自主探究，包括問題的提出、實驗的設計、材料的準備、具體的實施和結果的討論分析等，對學生的能力要求上升到了一個新高度。對照上述的科學探究能力的內涵，不難發現，拓展實驗的開展可以對科學探究能力進行全方位的訓練，促進學生能力的提升。再次，拓展實驗的開展，為學生創造了更多進入實驗室進行實踐的機會。實踐出真知，學生需要在實踐中去驗真和證偽。

E,ITO/NPB(45 nm)/Al(120 nm);

F,ITO/MeO-TPD(15 nm)/NPB(30 nm)/Al(120 nm);

G,ITO/CuPc(15 nm)/NPB(30 nm)/Al(120 nm);

H,ITO/MeO-TPD(15 nm)/CuPc(15 nm)/NPB(15 nm)/Al(120 nm).

圖6 單空穴型器件的J-V曲線

圖6 是空穴型器件的J-V曲線,從圖6中可以看出,當電壓低于4 V時,四種器件的J-V曲線相差不大.但是隨著電壓的增大,流過器件H的電流明顯高于其他器件.在相同工作電壓下,具有MeOTPD/CuPc的器件H和器件E,F,G相比,其電流密度最大.該J-V特性清楚地說明,該新型雙空穴注入層能更有效地提高傳統綠色熒光器件的空穴注入能力,同時也表明這種結構對降低電壓很有幫助.

4 結論

本文首次研究了采用兩種有機物MeOTPD/CuPc作為雙空穴注入層的新型OLED.該新型器件與分別使用MeO-TPD或CuPc做單空穴注入層,以及沒有空穴注入層的器件相比,其性能得到大幅提高,起亮電壓為3.2 V,最大亮度為23893 cd/m2,最大功率效率為1.91 lm/W.器件性能提高的機理是該新型雙空穴注入層能有效降低ITO陽極與空穴傳輸層之間的勢壘,從而使得器件的空穴注入和傳輸能力大大提高.同時,本文研究也為OLED結構設計提供了一定的參考價值.

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