面向短距離有機光纖通信系統的紅光OLED的研究

關曉亮，梁續旭，武明珠，茍昌華

（吉林大學 電子科學與工程學院 集成光電子學國家重點聯合實驗室，吉林 長春 130012）

經過二十多年的快速發展，有機電致發光器件(OLED)已經從實驗室走向了市場[1-3]，從概念產品發展為商業新寵，在顯示和照明兩大領域顯示著突出優勢。OLED的高發光效率和快響應速度使其在通信領域也有潛在應用，它可以作為全有機光纖通信系統的電光轉換器件。目前對于短距離通信，例如在車載、機載通信、局域網、FTTH（Fiber To The Home）等通信領域中[4-6]，價格低廉、性能可靠、體積小巧、安裝方便的短程互聯器件成為該領域追求的目標。2004年，Yutaka Ohmori等人在聚合物光波導（POF）上生長OLED及有機光探測器（OPD），制作出了全聚合物集成光電器件，完成電/光、光/電轉換，實現了短程局域通信[7]。然而常見 OPD材料的光吸收范圍為600~800 nm，紅色波段存在POF的低損耗窗口，而Yutaka Ohmori等人制作的各種不同發光波長器件中紅色有機電致發光器件（R-OLED）效率卻偏低，10 V下功率密度僅為3 mW/cm2[8]，應用于POF傳輸時存在一定損耗，傳輸功率減弱，到達OPD的光信號較弱，所以將R-OLED作為短程通信光源，其輸出光功率有待提高。在達到一定亮度要求時，低電流有助于提高工作時間，滿足作為光源的穩定性以及長時間工作要求，所以我們研究優化的器件結構以提高ROLED的效率。2013年，Zhang Z-S等人采用空穴傳輸材料作為藍光染料的母體，電子傳輸材料作為紅光染料的母體的相對簡單結構，成功制備出低驅動電壓、高效率的互補色白光器件[9]。本文將這種簡單結構用于單色OLED中，采用電子傳輸材料以及空穴傳輸材料既作為傳輸材料又分別作為一部分發光母體，主要利用其便于載流子傳輸的作用，并且利用雙發光層結構和混合母體結構的特點提高器件效率。

1 實 驗

選用常用材料 N,N-bis（naphthalene-1-yl）-N,N-bis（phenyl）-benzidine （NPB） 作為空穴傳輸層（HTL）,Bis （10-hydroxybenzo[h]quinolinato） beryllium （Bebq2）作為電子傳輸層 （ETL）,LiF作為陰極緩沖層， 發光層染料選用Bis （1-phenylisoquinoline） （acetylacetonate）iridium （III） （Ir（piq）2（acac）），而以空穴傳輸材料NPB或者電子傳輸材料Bebq2作為母體材料。襯底材料選用帶有圖形的ITO導電玻璃[10]。

首先對襯底進行如下處理:

1）用丙酮、乙醇反復擦洗ITO襯底；

2）將擦洗干凈的ITO襯底放入干凈的燒杯中，分別用丙酮、乙醇、去離子各超聲10 min；

3）將ITO襯底從燒杯中取出，吹干，放入烘箱中烘烤10 min；

4）最后將干燥清潔的ITO襯底進行紫外臭氧處理10 min，以提高ITO電極的表面功函數。

將處理好的ITO襯底放入多源有機分子氣相沉積系統中進行有機材料及LiF的蒸鍍。 在薄膜蒸鍍的過程中系統的真空度維持在4×10-4Pa左右。薄膜的厚度和蒸鍍速率由上海泰堯真空科技有限公司生產的膜厚控制儀進行監控。有機材料及LiF的蒸鍍速率分別控制在1?/s和0.05?/s。

在蒸鍍金屬Al電極之前，需將蒸鍍完LiF的樣品從有機分子氣相沉積系統中取出，換上蒸鍍金屬Al的掩模板來確定發光面積。這一過程中樣品暴露了大氣。器件的電致發光光譜、亮度以及電流電壓特性由美國PR650亮度光譜測試儀、美國Keithley-2400電壓電流源組成的測試系統同時測量，所有的測試都是在室溫大氣中完成的。

2 結果與討論

本實驗首先制作了3個R-OLED，3個器件的結構以及能級圖如圖1所示。3個器件的空穴傳輸層均采用NPB，電子傳輸層均采用Bebq2。不同之處在于發光層，器件A采用NPB作為發光層母體材料（NPB host）；器件B采用Bebq2作為發光層母體材料（Bebq2 host），這兩個單發光層結構器件用于對比。器件C為采用載流子傳輸材料NPB和Bebq2同時作為母體材料的簡單雙發光層結構（Double emission layers DEL）。3種器件的發光層厚度相同均為12 nm，染料摻雜濃度均為8wt%。

圖1 3個器件的結構圖以及材料的能級圖Fig.1 Schematic diagrams of our three devices and simplified energy-level diagram of materials in device C

圖2 3個器件的電流效率-亮度曲線以及電流密度-電壓曲線（小圖）Fig.2 Current Efficient（CE）-Luminance （L） characteristics ofdevices studied in this work.The inset is Current density-voltage （J-V）characteristics of devices

從圖2小圖中可以看出在相同電壓下，3個器件的電流基本相同。從3個器件的電流效率-亮度曲線我們可以看到器件A和器件B的最大電流效率分別是3.2 cd/A和3.7 cd/A，而采用雙發光層結構的器件C的效率是4.7 cd/A，相比于單發光層的器件A和器件B分別提高了47%和27%。對于器件A，電子趨于在NPB和Bebq2界面處聚集，電子和空穴傳輸的不平衡導致形成的激子少，并且在電子傳輸層形成的激子以非輻射形式復合不能被發光層內部染料分子所利用，所以器件的效率較低。器件B形成的激子一部分在空穴傳輸層，器件效率也偏低。而器件C采用雙發光層結構，靠近空穴發光層一部分的發光母體采空穴傳輸材料NPB，靠近電子傳輸層一部分的發光層母體采用電子傳輸材料Bebq2，既便于空穴的傳輸又便于電子的傳輸，兩種不同載流子傳輸材料的勢壘形成在發光層中間，發光層內載流子的平衡程度改善，激子復合區寬度展寬[11-13]，形成的激子幾率增加，發光效率明顯提升。雖然雙發光層結構中對于單發光層結構器件改善了載流子平衡程度，但是激子的主要形成區在雙發光層界面處，激子向兩側的分布形成e指數遞減趨勢，會引起激子高濃度下的淬滅與湮滅現象[14]。為了解決這個問題，再次調整激子在發光層內分布，讓激子分布更均勻，進一步提高激子利用率，所以引入了混合母體中間層結構，也就是在雙發光層中間引入4 nm NPB和Bebq2混合母體結構，進一步提高紅光器件效率。

基于上述思想我們制備了器件D，其結構和能級如圖3所示，發光層包括3部分，在雙發光層結構中間插入4 nm兩種母體材料按照1:1比例同時蒸鍍并摻入染料，即引入與兩側材料相同的混合母體中間層 （Intermixed Host Layer IHL）。

從圖4小圖中可以看出在相同的電壓下，混合母體中間層結構的電流密度比雙發光層結構有所增加，因為引入的混合母體中間層，相當于雙極型母體，有助于載流子傳輸。從圖6器件C和器件D的電流效率曲線我們可以看到器件D的電流效率達到了5.2 cd/A，電流效率提高了10.6%。效率可以提高的原因在于，這種“雙極型母體”使得電子和空穴便于傳輸到該混合母體中間層，相對于器件C激子聚集在雙發光層界面處來看，極大地擴展了激子形成區寬度，增加了激子形成的幾率，有效地避免了激子淬滅與湮滅，激子利用率上升[15-16]，所以器件效率得到了進一步提升。

圖4 器件C和器件D的電流效率-亮度曲線以及電流密度-電壓曲線（小圖）Fig.4 CE-L characteristics of device C and device D.The inset is Current density-voltage（J-V）characteristics of devices

由圖5中小圖可以看出4種器件的光譜基本重疊，峰值波長在625 nm左右，是紅光染料Ir（piq）2acac正常發光。從4個器件的亮度-電流曲線，可以看出采用混合母體中間層結構明顯提高了器件的發光效率，器件在8V電壓下電流密度為470 mA/cm2時，亮度達到9087 cd/m2，結合本實驗的發光光譜計算得到R-OLED光功率密度達到14.5 mV/cm2o。本實驗擬采用常見的紅光染料以及傳輸材料，得到的器件在波長為625nm時發光強度達到峰值，半峰寬為82 nm，但是對于制作全聚合物集成光電器件，完成電/光、光/電轉換，實現短程局域通信，要考慮制作OPD所選取材料的具體光吸收的波長范圍，有機材料來源廣泛并且種類很多，可以將新材料用于本實驗中的結構，得到更高的發光效率以及指定的波長。另外，對于作為通新光源來說，光信號在光纖中存在的光纖色散現象，所以要盡量減小光譜的半峰寬，可以將本實驗中器件結構移植于微腔結構中，根據R-OLED光輸出信號要滿足的波長以及半峰寬使用MATLAB軟件設計微腔結構，根據模擬的結構制備器件，達到光譜窄化，提高色純度以及使得輸出信號變強的效果[17]。

圖5 4個器件的亮度-電流密度曲線以及5 V電壓下的光譜圖（小圖）Fig.5 Luminance-Current density （L-J） characteristics of devices studied in this work.The inset is the normalized EL spectra at 5.0 V of devices

3 結 論

文中制作了一組R-OLED，實驗采用傳輸材料作為發光層母體的發光層以及混合母體中間層結構提高器件效率，兩種結構相比于單發光層器件最大電流效率提高分別提高了47%和66%，8 V電壓下，光功率密度14.5 mW/cm2。本文所制備的器件結構對于器件效率的提高提到明顯作用，用性能更好的新材料替代本實驗中選用的常用材料，可以得到更高輸出功率的紅色有機電致發光器件，作為面向短距離局域網絡有機光纖通信系統光源，與有機光探測器（OPD）共同集成到POF上。將有機電致發光器件的優良性能在通信的新領域得以發揮。

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