NPB厚度對白光OLED性能的影響研究

引言

近年來，由于全球能源危機(jī)的影響，白光OLED的研究越來越受到科學(xué)界和研究人員的廣泛重視，因?yàn)樗粌H能夠作為新一代的照明光源，而且還可以作為固體光源應(yīng)用于制造全彩顯示器和顯示器的背光源。它具有節(jié)能、環(huán)保、可卷曲、輕薄和驅(qū)動電壓低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到業(yè)界人士的關(guān)注。白光OLED的獲得大都通過混合三種顏色(紅、綠、藍(lán))的小分子、聚合物或磷光材料或兩種補(bǔ)償色(天藍(lán)和橙黃)的材料到多層或單層結(jié)構(gòu)中。大多數(shù)WOLED都采用堆疊式結(jié)構(gòu)或者單發(fā)光層多摻雜劑的結(jié)構(gòu)。

目前國內(nèi)外的研究人員用不同方法制備了白光器件，如用聚合物PVK作為主體材料摻雜藍(lán)光染料和橙紅光染料的單一發(fā)光層，沒有空穴注入層和空穴傳輸層，陰極采用Mg2Ag合金陰極，這一方法制備出來的白光器件具有較好的白光發(fā)射，但是亮度和發(fā)光效率都較低，器件性能較為不好。國內(nèi)的研究人員也做過一篇調(diào)整空穴傳輸層NPB(4,42N,N2bis2N212naphthy12N2pheny12amino2bipheny1)的厚度改善藍(lán)光OLED器件性能的文章，得出亮度會隨厚度的增加而增加，對應(yīng)的發(fā)光效率也有很大變化，從而得出厚度對器件的發(fā)光性能影響很大。后來有人用了多發(fā)光層結(jié)構(gòu)制備白光器件，通過調(diào)整空穴傳輸層的厚度使器件的性能有了較大改善，但是對比以ADN為主體摻雜兩種染料的單發(fā)光層，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作程序繁瑣，控制誤差較大，同時發(fā)光層多，厚度增加，啟亮電壓增大，效率降低。

實(shí)驗(yàn)采用ADN作為主體材料，摻雜紅光和藍(lán)光染料的白光OLED體系制備器件，結(jié)果表明：這種結(jié)構(gòu)制備出來的白光OLED器件具有較好的色穩(wěn)定性，并且發(fā)光效率也較高。曾有文章討論了發(fā)光層中的紅光摻雜劑DCJTB的摻雜濃度對器件性能的影響，并得出了白光OLED的較佳摻雜濃度的器件。本文將進(jìn)一步討論空穴傳輸層NPB厚度對基于ADN體系的白光OLED性能的影響，并對器件做進(jìn)一步的優(yōu)化，這對白光照明及顯示的制備具有一定的指導(dǎo)作用。

1　實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用材料為西安瑞聯(lián)近代電子材料有限公司的OLED專用高純化學(xué)品，對所用ITO導(dǎo)電玻璃基片進(jìn)行了嚴(yán)格的清洗流程，分別用洗滌劑溶液、丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水超聲清洗10min,然后在真空干燥箱中烘干。再將清潔而且干燥的ITO玻璃基片移入OLED2V型有機(jī)多功能真空成膜設(shè)備預(yù)處理室，在500V電壓下進(jìn)行氧等離子體濺射處理5min,這樣有利于除去ITO表面的碳污染，并提高ITO的功函數(shù)，有利于空穴從ITO電極注入到有機(jī)材料中。預(yù)處理后的基片傳入真空腔體，有機(jī)材料和金屬陰極都在真空度為610×10-4Pa下依次進(jìn)行蒸鍍，有機(jī)材料的蒸發(fā)速率為012nm/s,陰極Al/LiF的蒸發(fā)速率為1nm/s,使用SI2TM206型六通道膜厚監(jiān)測儀進(jìn)行實(shí)時控制。

電子傳輸層采用Alq3,是因?yàn)樗哂懈叩碾婋x能EA(約310eV)和電子親和能Ip(約5195eV)以及好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，量子效率高且能夠通過真空蒸鍍的方法形成高質(zhì)量無針孔的薄膜。發(fā)光層用兩種熒光材料藍(lán)與紅摻雜在主體材料ADN中，形成白光發(fā)射。

TBPe是藍(lán)色發(fā)光材料，能夠有效地傳輸電子并且有效地阻止激基復(fù)合物的形成，提高效率。相關(guān)文獻(xiàn)表明DCJTB是目前最佳紅色染料，用DCJTB作為輔助摻雜劑，器件表現(xiàn)出了穩(wěn)定的電致發(fā)光EL效率。器件的結(jié)構(gòu)以及能級結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　器件結(jié)構(gòu)與能級結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)制備了四組OLED器件

A)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(15nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

B)ITO/22TNATA(30nm)/NPB(15nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

C)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(35nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

D)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(40nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)。

在室溫、大氣環(huán)境下，測試以上四組未封裝器件，發(fā)光亮度采用ST2900B型光度計(jì)測量，器件的電致發(fā)光(EL)光譜特性使用杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司的PMS280光譜分析系統(tǒng)進(jìn)行測試，I2V特性曲線用直流電源DCPowerSupplyPS23003D進(jìn)行測量。

2　結(jié)果與討論

從圖2中可以看出，四組器件的電流密度和發(fā)光亮度均隨驅(qū)動電壓的增加而增大，并且在高電場強(qiáng)度與正偏電壓呈指數(shù)關(guān)系，表現(xiàn)出典型的二極管整流特性。器件的電流密度和亮度隨著空穴傳輸層NPB厚度的變化而變化。當(dāng)NPB的厚度分別為15,30和35nm時，電流密度相似，發(fā)光亮度隨著厚度的增加而逐漸增大，到35nm時亮度達(dá)到最大值14020cd/m2,擊穿電壓為1318V,當(dāng)NPB厚度再增加到40nm后，電流密度突然下降，隨之器件的發(fā)光亮度也顯著下降，當(dāng)下降到7790cd/m2,此時擊穿電壓為1313V。這一現(xiàn)象說明，NPB作為空穴傳輸層材料不能太厚，否則會影響載流子傳輸，降低器件的發(fā)光效率。圖2同時由表1也可以看出，隨著NPB厚度的增加，四組器件的啟亮電壓和擊穿電壓都逐漸增大，而電流效率(ηL)和功率效率(ηP)也都逐漸增加，到厚度35nm時為最佳值，分別為7181cd/A和2194lm/W;當(dāng)厚度增加到40nm時，發(fā)光效率則明顯下降，此時最大電流效率在電壓為9V時為4181cd/A,功率效率為2173lm/W,功率效率的值均在電流密度為2815mA/cm2處獲得。

圖2　器件的電流密度-電壓(J2V)，亮度-電壓(L2V)與亮度-電流密度(L2J)特性曲線

表1　四組器件的電致發(fā)光性能

同樣，從圖2(c)電流密度與亮度的關(guān)系曲線中看出，四組器件的發(fā)光亮度隨電流密度的增加而增大，在同一電流密度下，NPB的厚度為35nm時器件的亮度最大，30nm其次，15nm時的亮度也達(dá)到了11650cd/m2,最低亮度7790cd/m2是NPB厚度為40nm時器件的亮度，總之對比同一電流密度下各個器件的發(fā)光亮度，仍然是NPB厚度為35nm時器件的發(fā)光性能最佳。另外，封裝后經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得，采用以ADN作為主體材料，摻雜紅光和藍(lán)光染料體系制備的白光OLED器件其可靠性較好，表現(xiàn)出較好的色穩(wěn)定性。

由此可以得出：增加NPB的厚度可以提高器件的發(fā)光效率和亮度，對于有機(jī)小分子發(fā)光器件來說，電子傳輸層的遷移率比空穴傳輸層的遷移率要小兩個數(shù)量級。一般的器件電荷都是不平衡的，電子是少子。然而雖然在NPB層中空穴的遷移率較高，考慮了空穴在薄的NPB層中隧穿效應(yīng)的影響，增加NPB層厚度能夠很好地匹配到達(dá)載流子復(fù)合區(qū)域的空穴數(shù)量，使電子和空穴的注入達(dá)到平衡。器件在初始發(fā)光時，復(fù)合區(qū)域內(nèi)部電子的數(shù)目與空穴的數(shù)目相匹配，這是提高器件效率的重要原因。但是NPB太厚了發(fā)光效率會下降也是同樣的道理。可以推測：在器件C中，電子和空穴的注入達(dá)到了更為平衡的趨勢，激子輻射躍遷的概率最大。器件效率較高的另外一個原因是用于藍(lán)光發(fā)射的NPB層較厚，為NPB激子的形成、擴(kuò)散和輻射衰減都提供了充分的空間和充足的能量。

圖3　四組器件在2815mA/cm2下的電致發(fā)光(EL)光譜

圖3所示為四組器件在2815mA/cm2下的電致發(fā)光(EL)光譜。從圖中可以看出，隨著NPB厚度從15nm增加到40nm,四組器件的顏色也稍微發(fā)生了變化，但都處于白光區(qū)域。15nm時的色坐標(biāo)位于(013446,013175)處，器件發(fā)白光偏黃色，發(fā)光效率為2142lm/W,發(fā)光譜峰在463nm和567nm處，在492nm處伴有微弱的尖峰。當(dāng)NPB厚度為30nm時，器件發(fā)標(biāo)準(zhǔn)白光，色坐標(biāo)位于(013016,013385)處，接近白光中心點(diǎn)，發(fā)光效率為2161lm/W,發(fā)光譜峰在464nm和564nm處，在493nm處伴有微弱的尖峰，紅光成分明顯減少。

012715,013139)，發(fā)光顏色偏藍(lán)光，此處發(fā)光效率最大，為2194lm/W,發(fā)光譜峰在463nm和563nm處，在492nm處伴有微弱的尖峰，紅光成分進(jìn)一步減少。當(dāng)NPB厚度為40nm時，色坐標(biāo)為(012748,013129)，發(fā)光顏色仍然是白光偏藍(lán)色，發(fā)光效率為2173lm/W,發(fā)光譜峰在462nm和565nm處，在491nm處伴有微弱的尖峰。

NPB層的厚度有效地調(diào)節(jié)了載流子復(fù)合區(qū)域的位置并且改變了器件的發(fā)光顏色，圖中四組器件的前半個譜峰基本重合，與藍(lán)光材料TBPe的雙峰波長相近，因此考慮是TBPe的藍(lán)光發(fā)射貢獻(xiàn)。但是后半個譜峰隨著NPB厚度的增加其高度各不相同，然而波峰位置都在565nm左右，這可能是由于器件中的綠光材料Alq3和紅光材料DCJTB疊加產(chǎn)生的結(jié)果，高度不同說明摻雜的紅光材料DCJTB在四組器件中的比重隨著NPB膜層厚度的不同在發(fā)生變化，以致影響了四組器件的發(fā)光顏色。當(dāng)NPB層的厚度為15nm時，DCJTB紅光發(fā)射較強(qiáng)，比重較大，紅光綠光藍(lán)光的比重分別為1314%,7914%和712%,因此器件顏色偏黃。隨著NPB厚度的增加，當(dāng)厚度在30nm時，紅光發(fā)射減弱，比重減少，紅綠藍(lán)分別為1117%,7813%和919%,器件調(diào)整成標(biāo)準(zhǔn)的白光器件，色坐標(biāo)幾乎和白色等能點(diǎn)重合;當(dāng)NPB層的厚度在35nm以上時，DCJTB紅光發(fā)射進(jìn)一步減弱，比重減少，而TBPe的藍(lán)光發(fā)射變強(qiáng)，紅綠藍(lán)比重分別為1011%,7717%和1212%,所以器件為白光偏藍(lán)色?？捎梦⑶恍?yīng)來解釋這一結(jié)果，OLED器件極易受到微共振腔體光學(xué)干涉效應(yīng)的影響，尤其是空穴傳輸層NPB厚度的影響，常常由于這些微小的膜厚因素的變化而導(dǎo)致器件電致發(fā)光性能的變化，其理論依據(jù)是微腔能對諧振波長和非諧振波長處的自發(fā)輻射起到增強(qiáng)和抑制作用，因此有機(jī)電致發(fā)光中的微腔不僅將材料的自發(fā)輻射光譜重新分布，而且有可能帶來效率的提高。NPB厚度的增加可能會在NPB薄膜表面形成微腔效應(yīng)，從而帶來器件顏色和效率等電致發(fā)光性能的改變。

3　結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)可以得到如下結(jié)論：

(1)改變NPB的厚度對于堆疊式白光OLED性能影響很大。增加NPB厚度可以提高白光OLED器件的性能。當(dāng)厚度為35nm時，亮度和發(fā)光效率都達(dá)到最大值，然而增加到40nm時，亮度和效率顯著下降。

(2)增加NPB的厚度可以提高器件的發(fā)光效率和亮度，通過調(diào)節(jié)厚度能夠很好地限制到達(dá)載流子復(fù)合區(qū)域的空穴數(shù)量，使電子和空穴的注入達(dá)到平衡。

(3)NPB層厚度的增加有效地調(diào)節(jié)了載流子復(fù)合區(qū)域的位置并且改變了器件的發(fā)光顏色。