NPB蓝色有机电致发光器件的性能优化研究

马敏辉，贺 琪

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

经过三十多年来学术界和产业界的辛勤工作，人们在有机电致发光领域取得了极大的进步，小尺寸有机电致发光器件（OLED）显示屏已经开始广泛应用于手机、MP3、数码相机等电子产品并占有一席之地。对于全彩OLED器件，相对于绿色和红色器件，蓝色OLED器件的性能，如亮度、寿命相对较弱，这在一定程度上制约了全色OLED显示屏的研发和生产。

要达到实用化的另一个重要因素是降低产品的制造成本，因此寻求较为简单的工艺实现产品的制备也极为关键。蓝色OLED器件的制备通常是采用主体材料中掺杂蓝色染料的方式[1,2]，但是掺杂工艺的稳定性不好，且工艺周期长，因此人们开始寻求采用未掺杂普通单源蒸发工艺制备蓝色OLED器件[3～6]。

2007年李青等人[7]研究制备了基于NPB（N, N’-bis（1-naphthyl）-N, N’-diphenyl-1, 1’-biphenyl-4, 4’-diamine）的蓝色发光器件，其结构为ITO/NPB/BCP/Alq3/Mg∶Ag，其中BCP为人们较广泛采用的空穴阻挡层材料[8,9]。15 V时器件的最高亮度为2 880 cd/m2，最大流明效率为0.55 lm/W。这为实现低成本蓝色发光器件打下了一定的基础，但是至今未见关于器件性能进一步深入研究的报道。本文基于以上器件结构，利用Alq3的空穴阻挡能力和高发光效率对器件结构进行了优化，器件亮度较以上结构器件提高了两倍。

2 实验

器件基片采用方阻约10 Ω/□的ITO导电玻璃，基片依次经洗涤剂溶液、乙醇、去离子水超声清洗各10 min，各清洗步骤之间用大量去离子水彻底冲洗，最后用干燥氮气吹干。将洁净后的ITO基片移入真空设备的预处理室中，在30 Pa的氧气压下进行氧等离子溅射清洗处理，处理结束待基片冷却后将其转移到镀膜室，分别在＜4×10-4Pa和＜3×10-3Pa的条件下进行有机薄膜与金属电极MgAg的蒸镀，蒸发速率分别控制为～0.1 nm/s和～1 nm/s，薄膜厚度由石英晶振膜厚仪监控，各器件发光面积均为0.25 cm2。在大气和室温环境下采用Keithley 4200SCS半导体测试系统以及ST-86LA屏幕亮度计测试电流－电压及亮度－电压特性，EL光谱用OPT-2000光谱光度计测试。器件所用到的各有机材料分子结构如图1所示。

图1 本文用到的有机材料分子式

3 结果与讨论

在普通NPB蓝色发光器件中，由于NPB良好的空穴传导能力使得器件内的空穴数目远大于电子，因此有必要降低器件中空穴的数目以促进两种载流子的平衡。

考虑到Alq3本身就具有很好的空穴阻挡能力——其HOMO能级较低且空穴迁移率仅为10-7cm2/Vs数量级[10,11]，我们采取了在ITO/NPB界面处插入一薄层Alq3层的方法，通过改变该薄层Alq3的厚度调节空穴的注入。基于以上思路，制备出了如下NPB蓝色发光器件：

其中HBL（空穴阻挡层）为x nm（x=3、5、10）Alq3。此时器件结构如图2所示。

图2 具有空穴阻挡层的NPB蓝色发光器件结构示意图

不同HBL厚度时器件电流－电压及亮度－电压关系测试结果如图3所示。

图3 不同厚度Alq3空穴阻挡层的NPB发光器件的电流－电压及亮度－电压关系

从图3中的测试结果看到，不同厚度的Alq3空穴阻挡层对于器件性能有显著影响：

当该阻挡层为3 nm时可以看到器件电流较没有阻挡层时的普通器件电流有明显降低，这充分表明多数载流子空穴数目受到一定的限制，同时器件亮度却几乎没有因此降低，反而在大部分电压范围高于后者。

随着阻挡层厚度增加到5 nm，器件电流及亮度都显著降低，这意味着此时发光层内多数载流子空穴数目极大地降低以至于很可能低于电子的数目，因此复合生成的激子数目也大为降低。

进一步增加Alq3层到10 nm，这种电流及亮度显著降低的现象更为突出。15 V时各器件的电流分别为0.324 A、0.282 A、0.129 A、0.044 A（分别对应0、3 nm、5 nm、10 nm Alq3空穴阻挡层，下同），而此时各器件的亮度分别为2 210 cd/m2、3 516 cd/m2、1 300 cd/m2和402 cd/m2。

经计算，100 cd/m2亮度时各器件流明效率分别为0.18 lm/W、0.32 lm/W、0.14 lm/W和0.08 lm/W。与无阻挡层器件相比，除了3 nm Alq3层时器件的亮度和效率明显均提高以外，其他阻挡层器件的亮度及效率都明显降低，即后几个器件中过多的空穴被阻挡在发光层外而导致了载流子复合生成的激子数目显著下降。因此对于HBL层我们选择了3 nm的Alq3层。

经过上述器件结构的优化后，NPB器件的发光性能有所提高，但是相比Alq3发光器件[12]而言其性能仍然过低，这主要归因于NPB的荧光效率过低，那么能否借助于Alq3较高的荧光效率来提高NPB器件的发光效率呢？以此为出发点，我们设计了如下器件结构：

其中，x=5、6.5、8、10、15。

器件的结构示意图如图4所示。其中的3 nm Alq3兼做空穴阻挡层和“辅助发光层”的作用，器件的发光性能就主要由改变该辅助发光层在NPB层内的位置来调节。各器件的电流－电压和亮度电压关系如图5所示。

图4 具有Alq3辅助发光层NPB器件结构示意图

从图5可以看出，当Alq3辅助发光层位于NPB发光层内时各器件电流非常接近，且略比Alq3层位于ITO/NPB界面时（即此时的Alq3仅作空穴阻挡层）要大，这是因为当Alq3位于NPB层内部时，空穴是从NPB层的HOMO能级注入到相同的能级，因此其几率要大于从ITO费米能级注入到NPB的HOMO能级的几率。

15 V时各器件电流分别为0.314 A、0.309 A、0.310 A、0.315 A、0.315 A和0.283 A（分别对应位于NPB/BCP界面处0、5 nm、6.5 nm、8 nm、10 nm、15 nm以及50 nm的Alq3辅助发光层器件，下同）。而器件亮度方面，各Alq3辅助发光层器件的亮度也比较接近且明显大于普通Alq3阻挡层器件，15 V时各器件亮度分别为8 902 cd/m2、7 906 cd/m2、8 054 cd/m2、7 930 cd/m2、6 656 cd/m2和3 516 cd/m2，可见当Alq3层位于NPB/BCP界面处5 nm时器件的亮度比无此辅助发光层的器件提高了两倍多，而其他各器件也有两倍左右的提高。经计算，在100 cd/m2亮度下各器件的流明效率分别为0.80 lm/W、0.60 lm/W、0.52 lm/W、0.54 lm/W、0.34 lm/W和0.32 lm/W。

图5 不同位置Alq3“辅助发光层”器件性能，数字为该Alq3层离开NPB/BCP界面的距离

这里自然产生一个问题：各器件的发光中Alq3到底占据多大的比例呢？我们测试了各器件的电致发光（EL）光谱，如图6所示为9 V时各器件归一化EL光谱。

图6 不同位置Alq3“辅助发光层”EL光谱，数字为该Alq3层离开NPB/BCP界面的距离

从图中明显看到，随着Alq3层逐渐靠近NPB/BCP界面，器件的EL光谱中Alq3的比重越大，且与NPB之间的比例随位置的变化迅速改变。其中当Alq3层离开NPB/BCP界面的距离不超过8 nm时，Alq3的发光强度要超过NPB；当距离超过10 nm时，NPB的发光开始占据优势，这是因为电子在NPB层内的迁移距离有限，因此与空穴的复合主要发生在从NPB/BCP界面开始的较窄的NPB层范围内，当Alq3层远离界面时，由于大部分电子在NPB层被陷和参与复合，到达Alq3层的电子数目就极少了，Alq3的发光也因此大为降低。

当Alq3层位于离开界面15 nm处时可以看到，器件中Alq3的发光已经较弱，在475 nm以下的波长范围器件的EL光谱与NPB的EL光谱完全重合，谱峰同样位于～440 nm。按说器件的发光亮度应该很接近普通Alq3阻挡层器件，但是图5的亮度测试结果却表明此时的器件亮度比后者仍然有接近两倍的提高，看来Alq3层的确起到了辅助发光的作用——虽然其本身的发光不是主要贡献，但是却显著提升了主体材料NPB的发光性能。此现象似乎还未有文献报道，其中机理有待进一步研究。

4 结论

利用Alq3的空穴阻挡能力及高荧光效率，优化了NPB发光主体OLEDs器件。测试结果表明，结构为ITO/NPB（45 nm）/Alq3（3 nm）/NPB（5 nm）/BCP（3 nm）/Alq3（25 nm）/MgAg的器件具有较好的发光性能，15 V时器件的亮度达到7 906 cd/m2，而100 cd/m2亮度下流明效率为0.6 lm/W，其亮度较普通结构NPB发光器件提高了近两倍，同时器件的发光颜色基本为NPB本征发光颜色。

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