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。

[1] Kondakov D Y, Sandifer J R, Tang C W, et al. Nonradiative recombination centers and electrical aging of organic light-emitting diodes: Direct connection between accumulation of trapped charge and luminance loss[J]., 2002, 93(2): 1108-1119.

[2] 王光華, 張杰, 高思博, 等. 有機發(fā)光二極管器件白光實現(xiàn)及其色坐標計算[J]. 紅外技術(shù), 2020, 42(10): 958-962.

WANG G H, ZHANG J, GAO S B, et al. White light realization and color coordinate calculation of OLED devices[J]., 2020, 42(10): 958-962.

[3] Kwon S K, Lee E H, Kim K S, et al. Efficient micro-cavity top emission OLED with optimized Mg: Ag ratio cathode[J]., 2017, 25(24): 29906.

[4] Prache O. Full-color SVGA+ OLED-on-silicon microdisplay[J]., 2012, 10(2): 133-138.

[5] Shinar J, Shinar R. Organic light-emitting devices (OLEDs) and OLED-based chemical and biological sensors: an overview[J]., 2008, 41(13): 133001-0.

[6] XIE W F, Lau K C, Lee C S, et al. Transparent organic light-emitting devices with LiF/Yb:Ag cathode[J]., 2007, 515(17): 6975-6977.

[7] Miyagawa M, Koike R, Takahashi M, et al. Low work function MgAg-coated poly(ethylene terephthalate) films for organic light -emitting device fabrication with lamination process[J]., 2007, 46(11): 7483-7486.

[8] MA G L, RAN G Z , XU A G, et al. Novel transparent Yb-based cathodes for top-emitting organic light emitting devices with high performance[J]., 2006, 252(10): 3580-3584.

[9] WANG J, CHEN J, QIAO X, et al. Simple-structured phosphorescent warm white organic light-emitting diodes with high power efficiency and low efficiency roll-off[J]., 2016, 8(16): 10093-10097.

[10] ZHANG T, ZHANG L, JI W, et al. Transparent white organic light-emitting devices with a LiF/Yb: Ag cathode[J]., 2009, 34(8): 1174-1176.

[11] Banerjee S, Chakravorty D. Optical absorption of composites of nanocrystalline silver prepared by electrodeposition[J]., 1998, 72(9): 1027-1029.

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）。