利用双发光层结构提高N-BDAVBi掺杂器件的效率

王福军，汪 津，张会萍，姜文龙

(吉林师范大学 信息技术学院，吉林 四平 136000)

0 引言

有机电致发光器件以其主动发光、可柔性显示等优点在平板显示及固态照明领域得到广泛应用，引入掺杂结构的发光层对于有机电致发光器件性能的改善起到了重要作用[1-8]．目前，红、绿有机电致发光器件内量子效率已接近100%，尽管蓝色有机电致发光器件的内量子效率也已接近100%，但因为蓝光器件的寿命较短、高亮度下效率衰减也很显著[9-10]，因此如何提高蓝色OLED性能，特别是效率问题一直是人们关注的热点．

本文利用蓝色荧光染料N-BDAVBi作为掺杂剂，通过双发光层掺杂结构来提高蓝色OLED的性能，并对其内部机理进行了分析．

1 实验

在相同的实验环境条件下，将蓝色客体发光材料N-BDAVBi分别掺入主体材料TCTA和TPBi中，制备了两个单发光层器件，在此基础上又制备了第三个器件—双发光层器件，器件结构如下：器件A：ITO/m-MTDATA(40 nm)/NPB(10 nm)/ TCTA：N-BDAVBi(30 nm)/TPBi(30 nm)/LiF(6 nm)/Al(150 nm)；器件B:ITO/ m-MTDATA(40 nm)/NPB(10 nm)/TPBi:N-BDAVBi(30 nm)/ TPBi(30 nm)/LiF(6 nm)/Al(150 nm)；器件C：ITO/m-MTDATA(40 nm)/NPB(10 nm)/ TCTA：N-BDAVBi(15 nm)/TPBi:N-BDAVBi(15 nm)/TPBi(30 nm)/LiF(6 nm)/Al(150 nm)．器件中m-MTDATA(4,4',4''-tris(N-3-methylphenyl-N-phenyl-amino) triphenylamine)40 nm 作为空穴注入层，NPB(N,N'-bis-(1-naphthyl)- N,N'diphenyl-1,1'-biphenyl-4,4'-diamine)10 nm作为空穴传输层，N-BDAVBi (N-(4-((E)-2-(6-((E)-4-(diphenylamino)styryl)naphthalen-2-yl)vinyl)phenyl)-N-Phenylbenzenamine)作为客体发光材料，TCTA (4,4',4" -Tris(carbazol-9-yl)triphenylamine)作为发光主体材料,TPBi(1,3,5-tris(N-phenylbenzimidazol-2-yl)benzene)既是发光主体材料，又作为空穴阻挡层(HBL)兼电子传输层(ETL)材料，LiF作为缓冲层以增强电子注入．试验中的ITO玻璃作为基底，方块电阻约为50 Ω，首先将大片ITO玻璃切成实验所需大小，之后用海绵蘸丙酮、乙醇、去离子水反复擦拭、超声清洗，之后放于干燥箱中做干燥处理，各个有机材料按照顺序和比例生长在ITO玻璃上．将所用有机药品逐个放在温度可以单独控制的蒸发源(石英坩埚)中，之后按照预先设计的结构顺序依次生长不同的有机材料，然后将带有蒸镀的有机材料的玻璃衬底放于蒸Al室，进行镀Al，有机材料生长过程中，有机室真空度始终要维持在4×10-4Pa 左右,蒸发速率维持在0.2～0.4 nm/s,亮度—电压—电流特性、色坐标以及EL光谱由计算机控制的可编程电流—电压源Keithley Source 2400 和光谱扫描光度计PR655 所构成的测试系统测试，有机层厚度由上海产的FTM-Ⅴ型石英晶体膜厚仪监测，所有实验数据的测量均在室温大气中测得．试验中发光层所用有机材料的化学结构式如图1所示．

图1 有机材料的化学结构

2 结果与讨论

图2是器件A～C在12 V电压的归一化光谱图，三个器件光谱中的主发光峰都位于472 nm，为客体材料N-BDAVBi的发光峰，在430 nm附近，三个器件都有较弱的空穴传输材料NPB的发光峰，原因是电子穿越发光层到达阳极处的空穴传输层，与NPB结合而辐射发光．但是以TPBi 为主体材料的器件B的NPB发光明显，原因是器件B的主体材料和电子传输材料都是TPBi，从阴极传输过来的电子没有任何势垒很容易传输到发光层，并透过发光层到达空穴传输层，我们从图6(b)器件的能级示意图可直观的得出结论．图2的光谱图中，除了有微弱的NPB发光峰外，没有见到任何主体材料的发光峰，这说明主体材料被激发的激子有效的传递给了客体发光材料．

图2 12 V偏压下的归一化光谱图

图3是主体材料TCTA、TPBi的发射光谱和N-BDAVBi的吸收光谱，从图中可以看出主体材料的发射光谱和客体材料的吸收光谱有很大重叠，这是掺杂结构器件主客体发生有效能量转移的必备条件．

图3 TCTA和TPBi的归一化光致发光光谱及N-BDAVBi归一化吸收光谱

图4为三个器件的电流密度—电压特性曲线，由图可以看出三个器件曲线变化趋势基本一致，随着电压的增大，电流密度逐渐增大，呈线性关系，这与二极管的电压—电流特性曲线一致，表明三个器件均表现出了较好的载流子传输特性．但是在低电压下，电流密度随电压变化趋势缓慢，因为在低电压下，载流子注入势垒使分别从阳极和阴极注入的空穴和电子主要积累在有机异质节的界面处，导致电流密度较低．随外加电压升高，器件内部电场增强使载流子迁移率提高，导致电流密度明显增加．

图4 器件A～C的电流密度—电压关系特性曲线

图5是三个器件的电流效率—电压特性曲线，三个器件的最大电流效率分别为4.16 cd/A，7.09 cd/A，8.44 cd/A，器件C的电流效率分别是器件A和器件B的1.85倍和1.2倍．器件C效率提高的主要原因是单发光层器件的载流子复合区域较窄，一部分没有参与辐射发光的激子扩散到传输层，因靠近传输层一侧激子浓度过高而引起了湮灭，导致效率低．而双发光层器件扩大了载流子结合区域，减少了载流子在空穴传输层/发射层以及发射层/电子传输层积累，降低了的因激子浓度过高而引起的湮灭，提高了器件的效率．器件B的电流效率明显比器件A高很多，我们知道，提高效率的有效途径就是提高发光层中电子和空穴的复合几率，通常情况下，有机器件中电子是少子，空穴是多子，空穴的迁移率一般高于电子的迁移率，所以增加电子的注入是提高器件效率的有效途径之一，器件A的主体材料TCTA是典型的空穴传输型主体材料，而器件B的主体材料TPBi是典型的电子传输型材料[11-12]，用TPBi作为主体材料更增强了电子的传输．器件B的电流效率比A高也源于器件的能级结构，如图6器件的能级结构示意图，器B的主体材料和靠近阴极的电子传输材料相同，所以能级上没有任何势垒，便于少子电子的传输．

图5 器件A～C的电流密度-电流效率关系特性曲线

3 结论

制备了结构为ITO/m-MTDATA(40 nm)/NPB(10 nm)/TCTA：N-BDAVBi(15 nm)/TPBi:N-BDAVBi(15 nm)/TPBi(30 nm)/LiF(0.6 nm)/Al(150 nm)的双发光层结构的蓝光器件，最大电流效率达到8.44 cd/A，并且在12 V的电压下，最大亮度达到11 860 cd/m2，分别是单发光层结构器件的1.85倍和1.2倍．高性能归因于双发光层扩大了载流子结合区域，减弱了载流子在发光层和传输层界面的积累；主客体间高效、充分的Forster能量转移以及器件合理的结构．

图6 器件A～C的能级结构示意图

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