田苗苗,賀小光,祁金剛,王 寧

(1.長春師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長春 130032; 2.新加坡南洋理工大學(xué)電氣科學(xué)與電子工程學(xué)院,新加坡 639798)

一種高電流密度下效率不降低的綠光有機(jī)電致發(fā)光器件

田苗苗1*,賀小光1,祁金剛1,王 寧2

(1.長春師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林長春 130032; 2.新加坡南洋理工大學(xué)電氣科學(xué)與電子工程學(xué)院,新加坡 639798)

為了提高有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)在高電流密度下的發(fā)光效率,在以C545T摻雜Alq3為發(fā)光層的有機(jī)小分子綠光器件中的發(fā)光層與電子傳輸層之間插入超薄LiF絕緣層。結(jié)果表明,器件的外量子效率隨著電流密度的增加始終沒有降低,直至600 mA/cm2時達(dá)到最大值4.79％,是相同電流密度下的參考器件的外量子效率的7倍。

有機(jī)電致發(fā)光器件;外量子效率;電流密度;激子

1 引 言

為促進(jìn)有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)在平板顯示及固態(tài)照明等方面的應(yīng)用,提高OLED的發(fā)光效率是一個關(guān)鍵問題[1-2]。目前已有很多關(guān)于提高OLED發(fā)光效率的方法,如合成新的有機(jī)發(fā)光材料、選擇較合理的主客體摻雜發(fā)光體系、降低電荷注入勢壘、提高電子及空穴注入平衡水平、調(diào)節(jié)載流子復(fù)合區(qū)間位置、采用PIN器件結(jié)構(gòu)及疊層器件結(jié)構(gòu)等[3-6]。盡管如此,由于高電流密度下器件的各種猝滅機(jī)制逐漸加劇,導(dǎo)致高的發(fā)光效率大多只能在較低電流密度下獲得,而隨著電流密度的增加,器件的發(fā)光效率大幅下降[7-11]。這不僅制約了OLED的實(shí)用化,同時也是阻礙有機(jī)電泵浦激光器實(shí)現(xiàn)的瓶頸問題之一[12-14]。為此,本文在器件中的發(fā)光層與電子傳輸層之間插入超薄LiF絕緣層,研制了以C545T摻雜Alq3為發(fā)光層的在高電流密度下具有較高外量子效率的OLED。與沒有LiF插入層的參考器件相比,該器件的外量子效率隨著電流密度的增加不僅不降低,反而持續(xù)增加,說明其高電流密度下的猝滅機(jī)制受到了抑制。當(dāng)器件達(dá)到最大工作電流密度600 mA/cm2時,其外量子效率達(dá)到最大值4.79％,是相同電流密度下的參考器件的外量子效率的7倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以簡單有效地抑制OLED在高電流密度下的損耗,提高了器件的發(fā)光性能。

2 實(shí) 驗(yàn)

圖1為所制備的發(fā)光區(qū)插入LiF層的器件A的能級結(jié)構(gòu)圖,為進(jìn)行對比分析,我們還制備了發(fā)光區(qū)無插入層的參考器件B。兩個器件均采用熱蒸發(fā)鍍膜的工藝,制備過程中控制腔體真空度高于5×10-4Pa,鍍膜速率由頻率計連接石英晶振片監(jiān)測。器件各功能層依次為陽極(ITO)、陽極緩沖層(MoOx,1 nm)、空穴傳輸層(NPB,74 nm)、發(fā)光層(Alq3作為主體材料,熒光染料C545T的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1％,33 nm)、發(fā)光區(qū)超薄插入層(LiF,0.3 nm)、電子傳輸層(Alq3,45 nm)、陰極緩沖層(LiF)、陰極(Al)。電致發(fā)光光譜(EL)、電流-電壓特性曲線(I-V)等采用Photo-Research公司的產(chǎn)品PR705結(jié)合Keithley2400精密數(shù)字源表進(jìn)行測試。薄膜厚度由Ambios公司XP-1型臺階儀進(jìn)行測量校準(zhǔn)。

圖1 器件A的能級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Energy level diagram of device A

3 結(jié)果與討論

圖2對比了器件A及器件B的電致發(fā)光亮度及外量子效率。由圖可知,由于器件A的發(fā)光區(qū)插入了超薄LiF絕緣層,使得器件A的亮度及外量子效率均得到了大幅提升。當(dāng)電流密度高于100 mA/cm2時,器件A、B的亮度分別為11 950 cd/m2及7 980 cd/m2,器件A是器件B的1.50倍;當(dāng)電流密度達(dá)到300 mA/cm2時,器件A、B的亮度分別為43 640 cd/m2及15 680 cd/m2,器件A是器件B的2.78倍;當(dāng)電流密度高達(dá)600 mA/ cm2時,器件A、B的亮度分別為100 500 cd/m2及14 071 cd/m2,器件A是器件B的7.14倍。而對比兩個器件的外量子效率隨電流密度的變化趨勢,可以看出,在100,300,600 mA/cm2時,器件A的外量子效率分別為3.46％、4.14％及4.79％,是相同電流密度下B器件的1.47、3.45及7.06倍。參考器件B的外量子效率隨著電流密度的增加逐漸降低,而此時器件A的外量子效率卻隨著電流密度的增加而增大,直至600 mA/cm2時達(dá)到最大值4.79％,此時器件B的外量子效率值已降為0.678％。雖然此前已有基于C545T作為發(fā)光材料的OLED器件獲得較高外量子效率的報道,但是,該報道所獲得的高效率是當(dāng)器件工作在較低電流密度(20 mA/cm2)下獲得的。而大量研究表明,OLED要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,必須要提高其在高電流密度下的效率。通常情況下,由于器件的各種激子猝滅過程(如單重態(tài)-單重態(tài)猝滅、單重態(tài)-極化子猝滅以及過剩載流子產(chǎn)生的吸收損耗等)會隨著工作電流密度的增大而增加,使器件性能隨電流密度的增大而降低[7-11]。器件性能對比結(jié)果表明,發(fā)光區(qū)插入超薄LiF絕緣層可顯著改善器件在高電流密度下的性能。

圖2 器件A(星形)及參考器件B(圓形)在不同電流密度下的外量子效率及亮度Fig.2 Luminance and external quantum efficiency as a function of current density for device A(star)and B (circle)

圖3為器件A在不同電流密度下的電致發(fā)光光譜。由圖可見,隨著電流密度的增加,雖然器件發(fā)光強(qiáng)度不斷增大,但是發(fā)光峰值位置沒有變化,始終位于522 nm處,且其發(fā)光峰的半高全寬也沒有變化。這說明在器件工作電流密度增加的過程中,器件的發(fā)光始終都是來源于熒光小分子材料C545T的熒光,沒有非線性光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生。器件的外量子效率可由下式[15]給出:

其中:ηγ是器件內(nèi)電子和空穴的平衡因子,當(dāng)從陰陽電極分別注入的電子和空穴完全平衡時,其值最大為1。φf是OLED器件發(fā)光材料本身的熒光量子效率。χ是單線態(tài)激子在激子總數(shù)中的比例,有機(jī)電致發(fā)光器件內(nèi)激子生成時有25％的單線態(tài)激子和75％的三線態(tài)激子同時產(chǎn)生,但是根據(jù)量子自旋理論,三線態(tài)向基態(tài)的躍遷是禁阻的,因此,對于熒光小分子OLED,χ值通常為25％。ηph是光耦合輸出效率,通常對于ITO陽極基板,由ηph=1/2n2公式,我們認(rèn)為耦合輸出效率ηph=20％。本文中,由于C545T材料的熒光量子效率φf約為80％,ηph取值20％,χ取值25％,因此根據(jù)公式(1),即使ηγ取最大值1,推測器件A的最大外量子效率在實(shí)際器件中應(yīng)該小于4％;然而,器件A的最大外量子效率達(dá)到了4.79％,且此時器件工作電流密度較高,滿足OLED器件實(shí)用化要求。因此可以說,本文所采用的方法是一個可以簡單提高器件性能的辦法。

圖3 器件在不同電流密度下的發(fā)光光譜Fig.3 Electroluminescent spectra of device A under different current density

為研究器件A性能得到提升的內(nèi)部物理機(jī)制,我們將兩個器件的光電性能參數(shù)進(jìn)行了逐一對比。圖4給出了器件A、B的I-V特性曲線及歸一化的EL光譜對比。器件A與B在結(jié)構(gòu)上的唯一區(qū)別就是器件A的發(fā)光區(qū)插入了薄層LiF,但從圖4可見,兩個器件的I-V曲線是基本一致的,因此器件A性能的改善并不來源于注入平衡因子ηγ的改善。同時,可以看到兩個器件的歸一化EL光譜也幾乎沒有區(qū)別,峰值波長均位于522 nm,來源于C545T的熒光。C545T熒光量子效率約為80％,對于器件A、B都是一樣的,因此公式(1)中的φf也沒有變化。兩個器件的陽極均為ITO,且均以玻璃為基板,因此耦合輸出效率均為20％,ηph也沒有變化。根據(jù)以上分析,我們推測:在影響器件A外量子效率的因素中,ηγφfηph均未被改善,而是χ因子(即器件內(nèi)單、三線態(tài)激子比例)由于超薄絕緣層LiF的插入而得到了提高。

圖4 器件A(星形)及參考器件B(圓形)的電流-電壓特性曲線。插圖給出了兩個器件的歸一化發(fā)光光譜。Fig.4 Current density-voltage characteristics of device A (star)and device B(circle).Inset shows the normalization EL spectra of device A and B.

4 結(jié) 論

制備了基于C545T∶Alq3為發(fā)光材料的綠光有機(jī)電致發(fā)光器件,在發(fā)光層與電子傳輸層間插入了超薄LiF絕緣層,抑制了器件的外量子效率隨電流密度的增加而降低的缺點(diǎn)。在工作電流密度高達(dá)600 mA/cm2時,外量子效率達(dá)到最大值4.79％,此時參考器件的外量子效率值已降為0.678％,經(jīng)調(diào)控后的器件的外量子效率是參考器件的7倍。通過對影響器件外量子效率的各因素的理論分析,我們推測這種優(yōu)異的器件性能起因于器件內(nèi)的單線態(tài)激子比例的調(diào)控。雖然根據(jù)量子自旋理論,通常情況下在有機(jī)半導(dǎo)體材料內(nèi)的激子形成過程中,單線態(tài)和三線態(tài)激子的生成比例為1∶3,χ值通常為25％,但是,通過巧妙的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以實(shí)現(xiàn)對χ的調(diào)控,從而簡單有效地提高有機(jī)電致發(fā)光器件的性能,使器件在較高電流密度下保持較高的效率。

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田苗苗(1980-),女,吉林長春人,博士,副教授,2010年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事有機(jī)半導(dǎo)體光電器件及器件物理的研究。

E-mail:tmm8066@163.com

High efficiency Green Organic Light-emitting Diode Without Roll-off Under High Current Density

TIAN Miao-miao1*,HE Xiao-guang1,QI Jin-gang1,Wang Ning2

(1.Physics College,Changchun Normal University,Changchun 130032,China; 2.Luminous Centre of Excellence for Semiconductor Lighting and Displays,School of Electrical and Electronic Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798) *Corresponding Author,E-mail:tmm8066@163.com

In order to improve the efficiency of organic light emitting diodes(OLEDs)working at high current density,a LiF layer was inserted between emiiting layer(EML)and electron transporting layer(ETL)of a C545T∶Alq3based OLED.The external quantum efficiency(EQE)of the device increases with the increasing of the current density.When the current density is 600 mA/cm2, the maximum value of EQE is the biggest of 4.79％,seven times of the reference OLED.

OLEDs;external quantum efficiency;current density;exciton

TN383+.1

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1307

1000-7032(2015)11-1307-04

2015-08-18;

:2015-09-20

國家自然科學(xué)基金(61404010);吉林省教育廳項(xiàng)目(2013-257,2014-261);長春師范大學(xué)自然科學(xué)基金(2013-002)資助項(xiàng)目