基于R-4B掺杂的黄色OLED器件的制备及性能优化

张麦丽, 张方辉, 张 薇, 黄 晋

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

有机电致发光显示器(Organic light-emitting display，OLED)以其重量轻、功耗低、主动发光、视角宽、制作工艺简单、生产成本低、可柔性显示等特点成为显示领域的研究热点之一[1-3].白光OLED更是以其在固态照明光源和液晶背光源等方面的巨大潜力而成为了目前的研究热点，白光OLED器件的高效率、高亮度和高色稳定性对其产业化具有重要意义[4,5].近年来，蓝光与黄光复合实现白光发射已经成为制备白光 OLED的一个主要方法之一[6-8].因此黄光电致发光器件的制备对于单色黄光显示和白光电致发光器件的研制都具有重要意义；加之，磷光器件效率通常具有高效率和窄发光光谱的特性，并可有效利用单重态和三重态激子，使外量子效率从理论上可以达到20%[9,10]，因此黄色磷光OLED的制备及其性能的研究就显得尤为重要.

本论文旨在利用红绿磷光材料制备一款高色稳定性和高效率的黄色磷光OLED器件.通过改变红色磷光材料的掺杂比例，得到色坐标及发光效率较好的黄光OLED.

1 实验部分

本实验所采用的器件结构为(如图1)：

ITO/MoO3(40 nm)/NPB(40 nm)/TCTA(10 nm)/CBP:R-4B(x):Ir(ppy)2acac(8%)(30 nm)/BCP(10 nm)/Alq3(40 nm)/LiF(1 nm)/Al(100 nm)，其中x=1%,2%,3%.

图1 器件结构

本实验所涉及的材料来源为：ITO玻璃购买于深圳莱宝高科技股份有限公司，MoO3来源于Sigma-Aldrich公司，R-4B、GIr1、BCP及AlQ均购于西安瑞联近代电子材料有限责任公司， NPB 、TCTA和CBP购买于长春市阪和激光科技有限公司.

将平整度较好的ITO玻璃进行基片清洗、光刻，依次使用丙酮、乙醇超声清洗15 min，氮气枪吹干.将基片放入OLED多功能成膜设备的预处理室中等离子体处理15 min.预处理后放入多源有机热沉积室中，当真空度为3×10-4Pa时，依次蒸镀MoO3(30 nm)、NPB(40 nm)、TCTA(10 nm)、CBP:R-4B(x%):Ir(ppy)2acac(8%)(30 nm)、BCP(10 nm)、AlQ(40 nm)、LiF(1 nm)、Al(100 nm)，其中CBP:R-4B:Ir(ppy)2acac采用多源共蒸的方法实现.有机层的沉积速率为0.3～0.4 nm/s，金属层的沉积速率为1 nm/s，膜的厚度和沉积速率均由石英晶振实时监控.

器件的亮度(L)-电流(I)-电压(V)特性、色坐标及电致发光(EL)光谱由电流-电压源Keithley Source 2400和光谱扫描光度计PR655 SpectraScan所构成的测试系统测量，整个测试过程都在室温大气环境下进行.

2 结果与分析

电压为5 V时，红光材料掺杂比例不同所对应的器件的光谱图如图2所示.由图2(a)可知，将绿光强度归一化，红光强度随着红光掺杂比例的增加而增加，但当红光掺杂到一定比例，即掺杂到3%时，红光的强度不再增加.由图2(b)可以看出，虽然红绿光材料的掺杂比例不变，但3%光强明显下降.分析原因可能是：当红光掺杂1%时，由于掺杂比例过小客体分子不能充分利用主体CBP的能量，即能量转移不充分，导致红光发光峰比较弱；随着掺杂比例的增加，红光发光强度也随之增加，当掺杂比例为2%时，器件的发光强度达到最高，说明此时的主客体间能量转移最充分；但当红光掺杂比例为3%时，发光强度降低，是因为客体的掺杂浓度过高，分子聚集引起的相互作用导致三线态激子出现浓度猝灭现象.所谓浓度猝灭是指在物质浓度较大，分子间或分子和溶剂之间的碰撞会导致非辐射能级跃迁的现象[11].

(a)归一化光谱图

(b)绝对光谱图图2 5 V时不同红绿掺杂比例x下器件的光谱图

红光材料掺杂比例不同所对应的器件的亮度-电压图，电流密度-电压图如图3和图4所示.在有机电致发光器件中，电流密度随电压的变化反映了器件内部的电学特性，在电压较低时，电流随着电压的增加以近似于线性的方式缓慢增加，当电压超过器件的导通电压时，电流有急剧的跃升.亮度-电压的关系曲线表现的是有机发光电致器件的光电性质.由于器件所发射的光是由流入器件的载流子对形成激子，而激子退激发发出辐射从而形成的，因此器件的发光亮度与流过器件的电流直接相关.电压较低时，电流增加缓慢，相应地亮度也增加缓慢，当电压较高时，器件的发光亮度随电流的急剧增加而迅速提升.

图4 不同x的器件的电流密度-电压关系曲线图

由图3可知，三种器件的亮度均随电压的增加而增加，但随着红光材料掺杂浓度的增加，A、B、C器件的亮度依次减小.分析原因：一方面可能是因为现在绿光材料的效率高于红光材料的效率，那么随着红光材料掺杂比例的增加，即效率较低材料的增多，亮度有减小趋势.另一方面可能是因为人眼对红光的视觉敏感度低，人的眼睛在可见光谱区域内对不同波长可见光的灵敏度是不同的.所谓视觉敏感度是用来表示视觉系统对某种波长的敏感程度.在明亮环境中工作的锥体细胞所具有的视觉敏感度曲线用图V(λ)光滑曲线[12](图5)来表示，其峰值为555 nm黄绿光波长，眼睛对于光的敏感度，无论比峰值长还是短均会下降.此V(λ)曲线，是由国际照明国际委员会根据1924年的闪变法和逐次比较法的实验结果确定的，称为标准比视感度，也称为明视觉光谱光视效率函数.

图5 光谱光视效率函数

根据CIE对光度学亮度的定义，亮度可定义为[13]：

(1)

式中，L为发光亮度，Km为光功当量：683 lm/W；Leλ是辐射亮度(一个与人眼视觉无关的物理量)，表示随波长分布的辐射功率的大小；V(λ)是明视觉光谱光视效率函数.例如，对于波长555 nm的单色光，如果辐射1 mW的光，则L=0.68 lm.由此可知，亮度可由光的辐射亮度与标准比视感度乘积对于波长的积分求得.所以，对于明视觉，当λ=555 nm(为黄绿光)时，亮度感觉最大[14].同样，在昏暗环境中工作的杆体细胞所具有的视觉敏感度曲线的峰值为507 nm(青偏绿)，此时亮度感觉最大.因此可能红光掺杂越多，削弱部分绿光，红光波长越明显，亮度也就越小.图4所示为器件电流密度-电压图，表现出与电流密度-电压图相似的趋势.

红光材料掺杂比例不同所对应的器件的电压效率图如图6所示.由图6可知，A、B器件的流明效率随着电压的增大而依次减小，器件C的流明效率随着电压的增大而增大.总体来看，随着掺杂浓度的增加，器件A、B、C的流明效率依次减小.分析原因：一方面对于磷光OLEDs,一般存在两种发光机理[15,16].一种是载流子俘获机制，其机理是染料分子直接俘获从主体材料传输的载流子，然后复合发光；另一种是Dexter能量转移机制，其机理是染料分子接受来自于主体分子的激子，激子辐射发光.当红光掺杂比较少时，绿光居多，发光效率较高.但当红光掺杂增加时，器件的发光主要来源于载流子俘获机制，即红光掺杂材料分子直接俘获主体材料CBP传输的载流子，而红光本身效率又低于绿光，导致器件效率的下降.另一方面随着掺杂浓度的增加使得主客体之间的距离变小，短程的能量传递变得更加充分，当掺杂浓度较高时三线态激子出现浓度猝灭，因此浓度3%器件的效率相对很低.

图6 不同x的器件的发光效率-电压关系曲线图

3 结论

本论文通过讨论红光材料的掺杂浓度的不同对黄色磷光OLED性能的影响得到如下结论：随着红光掺杂浓度的增加，绿光光强一定时，红光光强增加，当x=3%时，红光光强不再增加；但此时掺杂器件的红绿光强均下降，而x=2%器件的红绿光强较高且其发光效率与亮度均较高.综合考虑发光器件的性能，当红光掺杂比例为2%时，此时黄色磷光OLED的性能相对较好.

[1] 杨惠山，吴丽双，潘玉灼.磷光与荧光相结合的多层白色有机发光器件[J].光电子·激光，2013，24(4)：673-678.

[2] Hu Sunjun,Zhu Minrong,Zou Hongbin,et al.Efficient hybrid white polymer light-emitting devices with electroluminescence covered the entire visible range and reduced efficiency roll-off[J].Applied Physics Letters,2012,100(6):1-5.

[3] Meng Mei,Song Wook,Kim Youhyun,et al.White organic light-emitting diodes with different order of RGB-emitting layers[J].Molecular crystals & liquid crystals,2012,569(1):125-142.

[4] Lan Y H,Hsiao C H,Lee P Y, et al. Dopant effects in phosphorescent white organic light-emitting device with double-emitting layer[J].Organic Electronics,2011,12:756-765.

[5] 张 微，张方辉，黄 晋,等.红绿掺杂有机电致发光器件发光性能的研究[J].光电子·激光，2013，24(8)：1 467-1 471.

[6] 郑华靖，陆海川，蒋亚东,等.TPB3TSi 黄光 OLED 材料的制备及其性能优化[J].功能材料，2013，44(9)：1 350-1 352.

[7] 高永慧，姜文龙，丁桂英,等.基于NPBX掺杂CzHQZn的黄色有机电致发光器件[J].液晶与显示，2011，26(1)：44-48.

[8] 李 青,赵 娟,王 琦,等.间隔层对双发光层白色有机电致发光器件性能的影响[J].发光学报，2012，33( 1) ：45-49.

[9] Zhang Shiming,Liu Ziyang,Wng Xuehui,et al.White organic light-emitting diodes based on a yellow phosphorescence iridium complex and a high-efficiency blue fluorescence[J].Thin solid films,2013,537(30):221-225.

[10] Kim Nam Ho,Kim Youhyun,Yoon Juan,et al.Color optimization of single emissive white OLEDs via energy transfer between RGB fluorescent dopants[J].Journal of Luminescence, 2013,143:723-728.

[11] Xie Guohua,Meng Yanlong,Wu Fengmin,et al.Very low turn-on voltage and high brightness tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum-based organic light-emitting diodes with a MoOx p-doping layer[J].Applied Physics Letters，2008，92(9)：3 305-3 307.

[12] 陈金鑫，黄孝文.OLED梦幻显示器——材料与器件[M].北京：人民邮电出版社，2011：74.

[13] 王庆有，王晋疆，张存林,等.光电技术[M].北京：电子工业出版社，2008：13-18.

[14] 张麦丽，张方辉，张 微,等.微腔结构对红光磷光OLED的性能的影响研究[J].光电子·激光，2013，24(5)：887-891.

[15] 张 静，张方辉.高效绿色磷光有机电致发光器件[J].光电子·激光，2012，23(11)：2 056-2 060.

[16] 高淑雅，陈维铅，吕 磊,等.蓝绿色磷光OLED的制备及发光性能研究[J].光电子·激光，2014，25(1)：31-35.