磁場作用下Fe電級對有機電致發光器件性能影響的研究

谷洪亮 楊光

摘 要：制作了有機電致發光器件，在外加磁場的調控下，通過比較蒸鍍了Fe電級（自旋極化層）與未蒸鍍Fe電級（自旋極化層）器件的亮度-電壓（L-V）關系曲線，證實了利用外部磁場可以改變電子的自旋態，提高單線態激子的比率，進而提高器件發光效率。實驗也表明了蒸鍍1nm Fe自旋注入層的有機電致發光器件的亮度最佳。

關鍵詞：磁場作用；Fe電級；電致發光器件

引言

有機電致發光器件的發光機理是注入的電子和空穴在發光層中形成復合激子而發光。而費米能級的量子數為1/2，所以電子和空穴復合形成激子的單線態與三線態數目比例為1：3。根據泡利不相容原理，單線態的激子能夠直接躍遷到基態發光，而三線態的激子不能[1]。熒光發光的內量子效率理論上最高為25%。由此可以看出，提高單線態激子的比率是提高有機電致發光器件的關鍵。文獻[2]曾經報道了在發光層MEHPPV和陰極Al之間使用Co作為自旋極化層，在450奧斯特的外加磁場下，反向電場驅動時器件的發光效率增加了20%。文章試圖采用Fe來替代Co作為有機電致發光器件的自旋極化層，并在自旋極化層與陰極之間插入一層電子注入層LiF制作了有機發光器件，通過外加磁場的調制，來研究Fe電級對有機電致發光器件性能影響。達到利用外部磁場來改變電子的自旋態，提高單線態激子的比率，進而提高器件發光效率的目的。

1 器件的制備與結構

器件的制備過程：首先用洗滌劑除去已經刻蝕好的ITO玻璃片表面的油脂，用去離子水、丙酮、酒精、去離子水中依次20分鐘的超聲清洗，用高壓氮氣吹干清洗干凈的ITO玻璃片之后，在紫外燈的照射下用臭氧處理10分鐘；其次，旋涂空穴注入層PEDOT：PSS（約20nm），在溫度為140℃真空干燥箱中干燥1小時，旋涂發光層MEHPPV（約100nm），在溫度為140℃真空干燥箱中干燥10分鐘，最后在真空鍍膜機中蒸鍍自旋極化層Fe、電子注入層LiF和金屬陰極Al[3]。因為1nm的LiF對于器件性能提高最大，所以制作的器件LiF的厚度都為1nm。

制作了如下兩個器件：

（a）ITO/PEDT：PSS（20nm）/ MEHPPV（100 nm）/LiF（1 nm）/Al

（b）ITO/PEDT：PSS（20nm）/ MEHPPV（100 nm）/Fe（1 nm）/LiF（1 nm）/Al

2 結果與討論

圖1為器件（a）和器件（b）的電致發光光譜，從測試圖上可以看出：在無外加磁場的作用下，Fe作為自旋極化層對于器件的發光峰并無影響，其主發光峰仍然為580 nm左右，但是器件的發光強度有所增加。

圖1 為器件（a）和器件（b）的電致發光光譜

為了進一步研究磁場作用下Fe電級對有機電致發光器件性能的影響，制作了如下三組器件：ITO/PEDT：PSS（20nm）/ MEHPPV（100 nm）/Fe（0，1，3，10nm）/LiF（1 nm）/Al

在測試過程中，磁場方向需要與載流子注入方向垂直。圖2為對于上述4種結構的器件分別測量其電流密度-電壓（J-V）關系曲線和亮度-電壓（L-V）關系曲線。

圖2 為磁場調制下，不同結構器件的電流密度-電壓關系曲線

和亮度-電壓關系曲線

從測試圖上可以看到在不同磁場強度的作用下，自旋注入層厚度在1nm、3nm和10nm時器件的亮度和電流密度均有所不同，亮度和電流密度均有提高。隨著自旋注入層厚度的增加，在相同磁場調制下，流過器件的電流密度增加，但是亮度卻逐漸減小。而自旋注入層厚度在1nm的器件其亮度值最大。在50mT的磁場調制下，器件最大亮度達到7210cd/m2；對于自旋注入層厚度在3nm的器件，器件最大亮度降到了4990cd/m2；而對于自旋注入層厚度在10nm的器件，幾乎不發光。

3 結束語

通過研究了不同厚度自旋極化層對器件性能的影響，驗證了在常規聚合物有機電致發光二極管中引入Fe作為電子自旋極化層，能夠有效地提高器件的性能。達到了利用外部磁場來改變電子的自旋態，提高單線態激子的比率，進而提高器件發光效率的目的。實驗表明：1nmFe自旋注入層的有機電致發光器件效果較好，當Fe膜的厚度繼續增加時，會使電子注入困難，器件幾乎不發光。

參考文獻

[1]黃春輝，李富友，黃維.有機電致發光材料與器件導論[M].上海：復旦大學出版社，2005.

[2]Yue Wu and Bin Hu， Spin injection from ferromagnetic Co nanoclusters into organic semiconducting polymers，Phys.Rev.B 2007，75，075413[Z].

[3]谷洪亮.ZnS：Mn納米顆粒的制備及在電致發光中的應用[D].北京交通大學，2010.