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        鐿銀陰極對頂發(fā)射白光OLED器件光電性能的影響研究

        2021-12-23 02:13:26楊啟鳴高思博段良飛錢福麗王光華魯朝宇
        紅外技術(shù) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:白光陰極電流密度

        楊啟鳴,高思博,王 燦,段良飛,錢福麗,段 謙,張 杰,王光華,魯朝宇,段 瑜

        鐿銀陰極對頂發(fā)射白光OLED器件光電性能的影響研究

        楊啟鳴,高思博,王 燦,段良飛,錢福麗,段 謙,張 杰,王光華,魯朝宇,段 瑜

        (云南北方奧雷德光電科技股份有限公司,云南 昆明 650223)

        研制了以鐿銀合金為透明陰極的頂發(fā)射白光OLED器件。采用ITO/NPB: LiQ(5%)(10nm)/TCTA(20 nm)/FIrpic+3.5% Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac)(25nm)/TPBI(10 nm)/LiF(5 nm)/Yb: Ag (%)(nm)器件結(jié)構(gòu),在相同鐿銀比例下,蒸鍍不同厚度的鐿銀合金陰極制備了新型頂發(fā)射白光OLED器件,獲得了優(yōu)化的鐿銀合金厚度為12nm;固定鐿銀陰極厚度,蒸鍍不同比例的鐿銀合金陰極制備了新型頂發(fā)射白光OLED器件,探究不同比例的鐿銀合金對有機電致發(fā)光器件的影響。結(jié)果表明,當鐿銀電極的摻雜比例為10:1時,器件的性能最佳,在20mA/cm2電流密度下,器件的驅(qū)動電壓為2.3V,亮度為1406cd/m2,色坐標為(0.3407,0.3922)。

        Yb:Ag合金;陰極;頂發(fā)射白光OLED微型顯示器;光電特性

        0 引言

        有機電致發(fā)光器件(organic light-emitting diodes,OLED)的主要優(yōu)點是輕薄,低功耗,高效率,高對比度,高色域,以及可以實現(xiàn)大面積多色顯示和柔性顯示等[1-2]。為商業(yè)利益所激發(fā),近年來,OLED器件的研發(fā)呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢。同時客戶對OLED產(chǎn)品性能的要求也越來越高,因此,新型OLED器件在可靠性、色度、對比度和發(fā)光效率上仍然面臨著解決重大問題的挑戰(zhàn)。

        提高OLED的電子注入能力對實現(xiàn)高效率器件非常重要。迄今為止,科研人員為了提高有機電致發(fā)光器件的電子注入能力,已經(jīng)做出了大量的研究工作,多種陰極結(jié)構(gòu)被不斷地研發(fā)和設(shè)計出來。其中,一些含有低功函數(shù)金屬的合金,其電子注入性能十分出色[1]。如Li:Al,Mg:Ag,Mg:Al,Cs:Al等[3]。早在1987年,Kodak公司首次提出雙層結(jié)構(gòu)的器件,使OLED器件驅(qū)動電壓大幅降低,使用的就是合金陰極。這也是合金陰極第一次被報道應用于OLED器件中。此外,由于合金的形成,使得器件穩(wěn)定性得到大幅提高,延長了器件的使用壽命。同時,由于其具有高透光性,在透明有機電致發(fā)光器件及頂發(fā)光器件中得到廣泛應用[4]。科研人員[5]使用較低功函數(shù)金屬電極或金屬復合電極代替Al電極,合成Mg:Ag和Mg:Al 陰極。與純Al電極和Mg:Al相比,Mg:Ag陰極合成的OLED光電性能得到了有序的增強。與金屬鎂相比,金屬鐿Yb(2.6 eV)具有更低的功函數(shù),Yb:Ag合金陰極的功函數(shù)與OLED有機結(jié)構(gòu)更加匹配,且能夠減小接觸勢壘,有效改善器件效率[6]。本文以Ag和低功函的Yb共蒸合成Yb:Ag合金陰極,通過優(yōu)化鐿銀陰極的厚度和摻雜比例,研究其變化對OLED器件性能的影響。

        1 實驗部分

        1.1 器件制備

        頂發(fā)射白光OLED微型顯示器件采用Yb:Ag合金作為陰極層,TPBI和LiF為電子層,F(xiàn)Irpic+3.5%Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac)為發(fā)光層,NPB: LiQ/TCTA為空穴層。通過調(diào)控Yb:Ag陰極的厚度和摻雜比例制備了不同的白光OLED微型顯示器件。器件結(jié)構(gòu)及主要有機材料結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        1.2 性能表征

        OLED微型顯示器件的電壓、亮度、色坐標和電致發(fā)光光譜通過電腦聯(lián)控的Keithley 2400電源和Research PR655進行測量。測試時,所有器件均處于暗室條件下。

        2 結(jié)果與討論

        圖2(a)、(b)為不同厚度的Yb:Ag陰極合成的5個OLED器件的電流密度/電壓(-)特性和亮度/電壓(-)特性曲線??梢钥闯?,在電流密度相同的情況下,5個器件的電壓隨電極厚度的增加先減小后增大。電極厚度<16 nm時,隨著厚度的增加,器件的電壓逐漸減小,當電極厚度>16nm時,器件的電壓開始增大。原因為適當厚度的陰極層電子注入的能帶勢壘較低,從而所需的電場強度也較低,電子能夠更為有效地注入[7]。在相同電壓下,5個器件的亮度依次為(20nm)<(16nm)<(14nm)<(11nm)<(12nm),陰極厚度小于12nm時,電子注入的能力較弱,電子與空穴復合減弱,導致器件發(fā)光亮度減小。當陰極厚度大于12nm,器件的透光性隨陰極厚度的增加而減小,導致其發(fā)光亮度逐漸下降。圖2(c)為器件在不同厚度的陰極下的電流密度-亮度關(guān)系(效率)曲線,當陰極厚度為12nm時,器件的電致發(fā)光效率達到最大值,其亮度也達到了最大值,當進一步增加鐿銀陰極的厚度,雖然電子注入能力不斷改善,但頂部發(fā)光亮度和發(fā)光效率都逐漸下降。原因為隨著鐿銀陰極厚度的逐漸增加,雖然電極的導電能力增強,但是器件增加的光場不足以補償因透光度減小導致的發(fā)光損失,因此發(fā)光效率開始下降[8]。

        圖1 頂發(fā)射白光OLED顯示器件結(jié)構(gòu)及有機材料結(jié)構(gòu)

        Fig. 1 Configuration of the top emitting white OLED device and molecular structures of the organic materials

        圖2 不同厚度的Yb:Ag陰極合成的OLED器件

        表1列出了不同Yb:Ag陰極厚度的5個器件測試參數(shù),更為直觀地反映出其變化關(guān)系。圖2(d)為5個OLED器件的歸一化光譜,器件的電流密度為20mA/cm2,由圖可知,器件在470nm和490nm附近存在兩個藍光發(fā)光峰,在570nm附近存在一個黃光發(fā)光峰。其黃光峰峰值隨鐿銀電極厚度增加呈下降趨勢,表明其黃光發(fā)光激子復合減弱。結(jié)合器件的CIE坐標(圖2(e))進行分析,隨鐿銀電極厚度增加,器件的CIE坐標逐漸往藍光方向漂移,由11nm的(0.3373,0.3967)漂移到20nm的(0.2812,0.3810),觀察到的器件發(fā)光顏色同樣逐漸變藍,其結(jié)果與光譜測試結(jié)果一致。陰極厚度過厚,電子注入到電子傳輸層以及遷移到界面層的時間會長一些,此時,在電場作用下,空穴經(jīng)空穴傳輸層早已躍遷至界面層,因此,激子復合區(qū)域向TPBI/LiF界面移動,捕獲的電子發(fā)生濃度猝滅,減弱了紅光發(fā)光,導致色度變化[9]。

        表1 不同Yb:Ag陰極厚度下器件的性能參數(shù)

        在優(yōu)化的12 nm鐿銀陰極厚度基礎(chǔ)上,通過改變Ag的摻雜比例進一步探究器件的光電性能,合成了不同鐿銀摻雜比的陰極制備的4個OLED器件。圖3(a)、(b)、(c)顯示器件的電壓-電流密度關(guān)系、電壓-亮度關(guān)系、電流密度-亮度關(guān)系,表2列出了4個器件的測試數(shù)據(jù),結(jié)果表明,不同的鐿銀摻雜比例對器件-性能影響不大,在相同電壓下,器件的亮度隨銀的摻雜比例增加,呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢??梢钥吹剑S著陰極中銀的摻雜比由8%增大到20%,8%的鐿銀陰極器件具有最高的發(fā)光強度,20%的器件表現(xiàn)最低。這是由于不同摻雜率的鐿銀陰極具有不同的費米能級,因此,電子從陰極注入到有機層的數(shù)量不等[10]。根據(jù)實驗結(jié)果,摻雜比例為10%的陰極,載流子數(shù)量較多,在相同電壓下,復合幾率更多,從而發(fā)光效率較高,色度較為純正,能量轉(zhuǎn)移較為平衡。圖3(d)為4個OLED器件的歸一化光譜,由圖可知,不同摻雜比下器件的EL譜峰波動較小,發(fā)光峰位置沒有改變,隨摻雜比例的增加,黃光發(fā)光峰(570nm)強度逐漸減小,在8%摻雜的器件中展現(xiàn)出最高的強度。圖3(e)為4個器件的CIE坐標,隨著銀的摻雜比例增加,器件的CIE坐標逐漸往藍光方向漂移,由8%的(0.3426, 0.3940)漂移到20%的(0.3260, 0.3850),主要由于銀對近紅外光有吸收作用[11],隨著銀的摻雜比例增加,器件的黃光峰被削弱。

        Fig 3 Different doping ratios of Mg:Ag cathode synthesis of OLED devices

        表2 不同Yb:Ag摻雜比例的器件性能參數(shù)

        3 結(jié)論

        本文以頂發(fā)射白色發(fā)光層為基礎(chǔ),以鐿銀合金為陰極,通過改變鐿銀陰極的厚度和摻雜比例,研究其變化對頂發(fā)射白光OLED器件性能的影響,結(jié)果表明,當鐿銀合金陰極的厚度為12nm,摻雜比例為10:1時,器件的性能最優(yōu),在20mA/cm2電流密度下,驅(qū)動電壓為2.3V,亮度為1406cd/m2,色坐標為(0.3407,0.3922)。并且,隨著鐿銀電極厚度的同比例增加和銀摻雜比例的增加,器件的色坐標都往藍光方向偏移。

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        Study on the Effects of Yb:Ag Alloy Cathode on the Photoelectric Performance of the Top Emitting White Organic Light-emitting Devices

        YANG Qiming,GAO Sibo,WANG Can,DUAN Liangfei,QIAN Fuli,DUAN Qian,ZHANG Jie,WANG Guanghua,LU Chaoyu,DUAN Yu

        (,650223,)

        Top-emitting white organic light-emitting diode(OLED) devices with a Mg:Ag alloy as a transparent cathode were fabricated. Based on the device structure of ITO/NPB: LiQ(5%) (10nm)/TCTA(20 nm)/ FIrpic+3.5% Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac) (25nm)/TPBI(10 nm)/LiF(5 nm)/Yb: Ag (%) (nm), the top-emitting white OLED devices were prepared by using Yb:Ag alloy of different thickness as the cathode at the evaporation ratio of 10:1, the optimum thickness of Yb: Ag cathode was12nm by contrasting. The effect of different proportions of Yb:Ag alloy on OLEDs was investigated by changing the doping ratio of Ag. Based on the preliminary results, the alloy with a Ag mass fraction of 10% exhibits good electron injection characteristics, which can effectively improve the light-emitting characteristics of the device. When the current density was 20mA/cm2, the driving voltage was 2.3V, the brightness was 1406cd/m2, and the color coordinates were close to (0.3407, 0.3922).

        Yb: Ag alloy, cathode, top emitting white OLED, photoelectric property

        TN312.8

        A

        1001-8891(2021)12-1207-05

        2021-07-09;

        2021-08-20.

        楊啟鳴(1990-),男,云南臨滄人,碩士,工程師,主要從事OLED器件開發(fā)。E-mail:yangqiming@oleid.com。

        段瑜(1981-),女,云南曲靖人,碩士,研究員級高級工程師,主要從事OLED器件開發(fā)。E-mail:duanyu@oleid.com。

        國家自然科學基金項目(61604064),云南省應用基礎(chǔ)研究面上項目(2016FB112),云南省技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)項目(202105AD160057)。

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