高效率雙發光層藍光OLED

杜帥 張方輝

摘要：采用藍色有機熒光染料TBPe和藍綠光染料DPAVBi作為客體發光材料，將其分別摻入主體材料ADN中形成雙發光層，制備了結構為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍色OLED器件。在電壓為14V時，器件發光亮度為13050cd/m2，電流密度為130.67mA/cm2，最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發光層器件2.3和1.1倍。且在電壓從10V增長到15V時，色坐標僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），具有較高穩定性。原因為雙發光層結構削弱了空穴和電子載流子在界面處積累，增加了激子產生區域以及能量能在主體與客體間進行有效轉移。

關鍵詞：熒光；雙發光層；藍光OLED

一、引言

OLED 由于其具有自發光、廣視角、響應速度快、大尺寸、全固體化、低功耗、可柔性化等不可替代優勢被喻為下一代平板顯示器“明星”。要想實現OLED全彩色化顯示，高效紅、綠、藍三基色單色顯示則是不可或缺一部分。目前，紅、綠單色有機電致發光器件性能已經達到實際應用標準，然而藍光器件亮度、效率、壽命仍然較差，其性能有待提高。藍色熒光材料由于只能利用單線態激子能量發光使得其最大內量子效率只能達到 25%，而藍色磷光材料雖然可以達到100%內量子效率但需要用 Pt、Ir 等重金屬原子，增大了器件制作成本，并且由于藍色磷光材料三線態能隙比一般主體材料寬，使得主客體之間充分能量傳遞受限。因此，針對如何制備高效率藍色有機電致發光器件進行了不斷探索。由于多數單發光層結構器件激子產生區域靠近

傳輸層一側，易使激子擴散到電極處引起發光淬滅，導致器件發光效率下降。因此，開展了對多發光層結構藍色OLED研究工作。Bang等[1]采用BCP摻雜MADN和MADN摻雜mCP作為雙發光層制備了藍光器件，亮度達到10270 cd/m2。Qi等[2]將不同濃度N-BDAVBi摻雜到CBP中作為雙發光層制備藍光器件，亮度達到了40040cd/m2，最大發光效率達到了18.99cd/A。Lin等[3]采用DPVBi為主體材料，分別摻雜BCzVB和C545T作為雙發光層制備藍光器件，與對應單發光層器件相比，極大地提高了器件色度和電流效率。因此，研究雙發光層結構藍色OLED具有重要意義。

本文采用藍色有機熒光染料TBPe和藍綠光染料DPAVBi作為客體發光材料，將其分別摻入主體材料ADN中形成雙發光層，制備了結構為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍色OLED器件。

二、實驗

（一）、實驗準備

首先將ITO玻璃進行劃片和刻蝕，然后將清洗好且干燥ITO基板置于預處理室進行等離子轟擊15min，以提高ITO基板表面功函數，降低驅動電壓，達到更好注入效率，轟擊完畢后用機械手傳遞至主真空腔體內，待真空度抽到7×10-4Pa左右時進行蒸鍍。

（二）、器件制備

在相同實驗條件下，將藍色熒光染料TBPe和DPAVBi分別摻入到主體材料ADN中作為發光層，制備了單發光層和雙發光層結構OLED，器件結構分別為：

Device A：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device B：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device C：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device D：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

其中，2-TNATA為空穴注入層，NPB為空穴傳輸層，ADN：DPAVBi和ADN：TBPe為藍光熒光發光層，Alq3為電子傳輸層，LiF/Al為復合陰極。

（三）、器件性能測試

器件電壓、電流、亮度、電致發光光譜等參數，由電腦控制可編程電流-電壓源Keithley Source 2400和光譜掃描光度計PR-670所構成測試系統進行測量。所有器件均在室溫下測量。

三、分析與討論

圖1 OLED器件能級結構圖

本文所設計器件C能級結構如圖1所示，能級值引自文獻[4-8]。從圖1可以看到NPBLUMO為2.3eV，比藍色熒光摻雜材料TBPe和主體材料ADN分別高出0.5eV和0.3eV，所以可以有效將電子限制在發光層內，提高電子和空穴在發光層中復合幾率，達到提高光效目。還可以看到，ADN具有3.1eV能隙，TBPe和DPAVBi均為2.7eV能隙，可見主體材料ADN帶隙大于摻雜物TBPe和DPAVBi帶隙，所以可以較好提高器件效率。同時采用相同主體材料ADN，使得兩個發光層能級相同，沒有勢壘差，更有利于載流子在發光層中遷移，提高發光效率。

圖2器件電壓-發光亮度關系曲線

圖2為器件電壓-亮度關系曲線。由圖2可以觀察到，器件啟亮電壓均為4V。在同樣驅動電壓下，器件C亮度更高，在電壓為14V時，最大亮度為13050cd/m2，原因是在ADN：DPAVBi發光層中，客體材料DPAVBiHOMO能級較低使其為空穴傳輸提供了另一個渠道，而在ADN：TBPe發光層中，客體材料TBPeLUMO能級較低使其為電子傳輸提供了另一個渠道，電子和空穴可以更多被限制在發光層中，且空穴遷移速度比電子高兩個數量級，器件C結構可以使電子能充分在發光層中與空穴進行復合，使得在相同驅動電壓下，器件C亮度相對較大。

圖3 器件電流密度-效率關系曲線

圖3所示為器件電流密度-電流效率圖，從圖3中可以看出，4類器件在低電流密度下電流效率快速達到最大值，在高電流密度下出現衰降。低電流密度下，器件發光機制既有Forster能量轉移也有來自摻雜材料分子對載流子直接俘獲產生輻射復合發光是器件電流效率快速增加主要原因。高電流密度下出現激子聚集引發發光淬滅是導致器件電流效率衰降主要原因。其中雙發光層器件C最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發光層器件A和B2.3和1.1倍。器件D中，由于客體材料能級，載流子除在ADN分子上形成激子之外，也易在NPB/ADN和ADN/Alq3界面積累，使得復合幾率下降。在單發光層器件A、B中，載流子復合區域較窄，并且靠近傳輸層一側，導致一部分激子和載流子擴散到傳輸層，降低器件發光效率。雙發光層器件電流效率增加是因為在主體ADN中形成了激子，然后將能量傳遞給摻雜材料輻射發光。因此，導致雙發光層器件效率增大主要因素包括：雙發光層結構減少了界面處載流子累積及發光淬滅，增加了激子產生區域，同時能量能從主體有效向客體轉移。

圖4 器件8V電致發光光譜

圖5器件在各電壓下歸一化光譜圖

圖4為器件A、B、C、D、E相對光譜圖，可以看到器件發光覆蓋了從380-780 nm可見光區。圖中比較明顯兩個發光峰值，分別位于464nm、476nm處，對應于TBPe和DPAVBi特征發光峰，器件呈現藍光發射。說明主體材料ADN可以通過Forster能量轉移機制將激發能量傳遞給摻雜材料。四種器件EL光譜中均未出現主體材料ADN特征發光峰，表明除被激發主體分子能量除非輻射損失之外，還可以有效轉移到摻雜材料。器件C發光強度最強，說明此時電子和空穴注入比較平衡，從而能夠在發光層中更有效復合形成激子，激子退激發光，產生更強光出射。

從圖4中還可以看到器件在436nm附近有一個發光強度比較弱來自NPB發光峰。在520nm附近有一個發光強度比較弱Alq3發光峰。由圖4所示器件能級結構圖可以看到，Alq3HUMO能級為5.8eV，ADNHUMO能級為5.7eV，勢壘為0.1eV，當施加驅動電壓后，隨著電壓逐步增大，會有部分高能量空穴載流子穿過發光層進入到電子傳輸層，引起Alq3發光。還可以看到，NPBLUMO為2.3eV，該LUMO能級比主體材料ADN高出0.3eV，很大程度上阻擋了電子流入NPB中，但是還是有小部分電子流入NPB中與空穴復合發光。

如圖5所示為器件C歸一化光譜圖，發光峰在不同電壓下不偏移，光譜重疊性很好，表明了器件色坐標比較穩定，不易隨電壓變化而改變，說明了器件各發光層中載流子數目比較平衡，從而使各發光層發射強度相當，使器件色度較好。

器件C在電壓從10V增長到15V時，色坐標僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），表明了器件光輻射具有較高穩定性，不隨驅動電壓變化而改變，發光顏色始終位于藍光區域，并且隨驅動電壓升高，藍光色純度提高。

四、結 論

制備了結構為ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率藍光OLED。同時制備了單發光層摻雜結構器件作為對比。在電壓為14V時，器件發光亮度為13050cd/m2，電流密度為130.67mA/cm2，最大電流效率為11.96cd/A，分別是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi為單發光層器件2.3和1.1倍。且在電壓從10V增長到15V時，色坐標僅從（0.16，0.26）變化到（0.16，0.25），具有較高穩定性。

參考文獻：

[1]Bang H S，Choo D C，Kim T W.Luminance enhancement mechanisms for blue organic light-emitting devices utilizing a double emitting layer [J].Journal of Electrochemical Society，2011，158（10）： 291-293.

[2]Qingjin Qi，Xiaoming Wu，Yulin Hua，et al.