面向短距离有机光纤通信系统的红光OLED的研究

关晓亮，梁续旭，武明珠，苟昌华

（吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室，吉林 长春 130012）

经过二十多年的快速发展，有机电致发光器件(OLED)已经从实验室走向了市场[1-3]，从概念产品发展为商业新宠，在显示和照明两大领域显示着突出优势。OLED的高发光效率和快响应速度使其在通信领域也有潜在应用，它可以作为全有机光纤通信系统的电光转换器件。目前对于短距离通信，例如在车载、机载通信、局域网、FTTH（Fiber To The Home）等通信领域中[4-6]，价格低廉、性能可靠、体积小巧、安装方便的短程互联器件成为该领域追求的目标。2004年，Yutaka Ohmori等人在聚合物光波导（POF）上生长OLED及有机光探测器（OPD），制作出了全聚合物集成光电器件，完成电/光、光/电转换，实现了短程局域通信[7]。然而常见 OPD材料的光吸收范围为600~800 nm，红色波段存在POF的低损耗窗口，而Yutaka Ohmori等人制作的各种不同发光波长器件中红色有机电致发光器件（R-OLED）效率却偏低，10 V下功率密度仅为3 mW/cm2[8]，应用于POF传输时存在一定损耗，传输功率减弱，到达OPD的光信号较弱，所以将R-OLED作为短程通信光源，其输出光功率有待提高。在达到一定亮度要求时，低电流有助于提高工作时间，满足作为光源的稳定性以及长时间工作要求，所以我们研究优化的器件结构以提高ROLED的效率。2013年，Zhang Z-S等人采用空穴传输材料作为蓝光染料的母体，电子传输材料作为红光染料的母体的相对简单结构，成功制备出低驱动电压、高效率的互补色白光器件[9]。本文将这种简单结构用于单色OLED中，采用电子传输材料以及空穴传输材料既作为传输材料又分别作为一部分发光母体，主要利用其便于载流子传输的作用，并且利用双发光层结构和混合母体结构的特点提高器件效率。

1 实 验

选用常用材料 N,N-bis（naphthalene-1-yl）-N,N-bis（phenyl）-benzidine （NPB） 作为空穴传输层（HTL）,Bis （10-hydroxybenzo[h]quinolinato） beryllium （Bebq2）作为电子传输层 （ETL）,LiF作为阴极缓冲层， 发光层染料选用Bis （1-phenylisoquinoline） （acetylacetonate）iridium （III） （Ir（piq）2（acac）），而以空穴传输材料NPB或者电子传输材料Bebq2作为母体材料。衬底材料选用带有图形的ITO导电玻璃[10]。

首先对衬底进行如下处理:

1）用丙酮、乙醇反复擦洗ITO衬底；

2）将擦洗干净的ITO衬底放入干净的烧杯中，分别用丙酮、乙醇、去离子各超声10 min；

3）将ITO衬底从烧杯中取出，吹干，放入烘箱中烘烤10 min；

4）最后将干燥清洁的ITO衬底进行紫外臭氧处理10 min，以提高ITO电极的表面功函数。

将处理好的ITO衬底放入多源有机分子气相沉积系统中进行有机材料及LiF的蒸镀。 在薄膜蒸镀的过程中系统的真空度维持在4×10-4Pa左右。薄膜的厚度和蒸镀速率由上海泰尧真空科技有限公司生产的膜厚控制仪进行监控。有机材料及LiF的蒸镀速率分别控制在1Å/s和0.05Å/s。

在蒸镀金属Al电极之前，需将蒸镀完LiF的样品从有机分子气相沉积系统中取出，换上蒸镀金属Al的掩模板来确定发光面积。这一过程中样品暴露了大气。器件的电致发光光谱、亮度以及电流电压特性由美国PR650亮度光谱测试仪、美国Keithley-2400电压电流源组成的测试系统同时测量，所有的测试都是在室温大气中完成的。

2 结果与讨论

本实验首先制作了3个R-OLED，3个器件的结构以及能级图如图1所示。3个器件的空穴传输层均采用NPB，电子传输层均采用Bebq2。不同之处在于发光层，器件A采用NPB作为发光层母体材料（NPB host）；器件B采用Bebq2作为发光层母体材料（Bebq2 host），这两个单发光层结构器件用于对比。器件C为采用载流子传输材料NPB和Bebq2同时作为母体材料的简单双发光层结构（Double emission layers DEL）。3种器件的发光层厚度相同均为12 nm，染料掺杂浓度均为8wt%。

图1 3个器件的结构图以及材料的能级图Fig.1 Schematic diagrams of our three devices and simplified energy-level diagram of materials in device C

图2 3个器件的电流效率-亮度曲线以及电流密度-电压曲线（小图）Fig.2 Current Efficient（CE）-Luminance （L） characteristics ofdevices studied in this work.The inset is Current density-voltage （J-V）characteristics of devices

从图2小图中可以看出在相同电压下，3个器件的电流基本相同。从3个器件的电流效率-亮度曲线我们可以看到器件A和器件B的最大电流效率分别是3.2 cd/A和3.7 cd/A，而采用双发光层结构的器件C的效率是4.7 cd/A，相比于单发光层的器件A和器件B分别提高了47%和27%。对于器件A，电子趋于在NPB和Bebq2界面处聚集，电子和空穴传输的不平衡导致形成的激子少，并且在电子传输层形成的激子以非辐射形式复合不能被发光层内部染料分子所利用，所以器件的效率较低。器件B形成的激子一部分在空穴传输层，器件效率也偏低。而器件C采用双发光层结构，靠近空穴发光层一部分的发光母体采空穴传输材料NPB，靠近电子传输层一部分的发光层母体采用电子传输材料Bebq2，既便于空穴的传输又便于电子的传输，两种不同载流子传输材料的势垒形成在发光层中间，发光层内载流子的平衡程度改善，激子复合区宽度展宽[11-13]，形成的激子几率增加，发光效率明显提升。虽然双发光层结构中对于单发光层结构器件改善了载流子平衡程度，但是激子的主要形成区在双发光层界面处，激子向两侧的分布形成e指数递减趋势，会引起激子高浓度下的淬灭与湮灭现象[14]。为了解决这个问题，再次调整激子在发光层内分布，让激子分布更均匀，进一步提高激子利用率，所以引入了混合母体中间层结构，也就是在双发光层中间引入4 nm NPB和Bebq2混合母体结构，进一步提高红光器件效率。

基于上述思想我们制备了器件D，其结构和能级如图3所示，发光层包括3部分，在双发光层结构中间插入4 nm两种母体材料按照1:1比例同时蒸镀并掺入染料，即引入与两侧材料相同的混合母体中间层 （Intermixed Host Layer IHL）。

从图4小图中可以看出在相同的电压下，混合母体中间层结构的电流密度比双发光层结构有所增加，因为引入的混合母体中间层，相当于双极型母体，有助于载流子传输。从图6器件C和器件D的电流效率曲线我们可以看到器件D的电流效率达到了5.2 cd/A，电流效率提高了10.6%。效率可以提高的原因在于，这种“双极型母体”使得电子和空穴便于传输到该混合母体中间层，相对于器件C激子聚集在双发光层界面处来看，极大地扩展了激子形成区宽度，增加了激子形成的几率，有效地避免了激子淬灭与湮灭，激子利用率上升[15-16]，所以器件效率得到了进一步提升。

图4 器件C和器件D的电流效率-亮度曲线以及电流密度-电压曲线（小图）Fig.4 CE-L characteristics of device C and device D.The inset is Current density-voltage（J-V）characteristics of devices

由图5中小图可以看出4种器件的光谱基本重叠，峰值波长在625 nm左右，是红光染料Ir（piq）2acac正常发光。从4个器件的亮度-电流曲线，可以看出采用混合母体中间层结构明显提高了器件的发光效率，器件在8V电压下电流密度为470 mA/cm2时，亮度达到9087 cd/m2，结合本实验的发光光谱计算得到R-OLED光功率密度达到14.5 mV/cm2o。本实验拟采用常见的红光染料以及传输材料，得到的器件在波长为625nm时发光强度达到峰值，半峰宽为82 nm，但是对于制作全聚合物集成光电器件，完成电/光、光/电转换，实现短程局域通信，要考虑制作OPD所选取材料的具体光吸收的波长范围，有机材料来源广泛并且种类很多，可以将新材料用于本实验中的结构，得到更高的发光效率以及指定的波长。另外，对于作为通新光源来说，光信号在光纤中存在的光纤色散现象，所以要尽量减小光谱的半峰宽，可以将本实验中器件结构移植于微腔结构中，根据R-OLED光输出信号要满足的波长以及半峰宽使用MATLAB软件设计微腔结构，根据模拟的结构制备器件，达到光谱窄化，提高色纯度以及使得输出信号变强的效果[17]。

图5 4个器件的亮度-电流密度曲线以及5 V电压下的光谱图（小图）Fig.5 Luminance-Current density （L-J） characteristics of devices studied in this work.The inset is the normalized EL spectra at 5.0 V of devices

3 结 论

文中制作了一组R-OLED，实验采用传输材料作为发光层母体的发光层以及混合母体中间层结构提高器件效率，两种结构相比于单发光层器件最大电流效率提高分别提高了47%和66%，8 V电压下，光功率密度14.5 mW/cm2。本文所制备的器件结构对于器件效率的提高提到明显作用，用性能更好的新材料替代本实验中选用的常用材料，可以得到更高输出功率的红色有机电致发光器件，作为面向短距离局域网络有机光纤通信系统光源，与有机光探测器（OPD）共同集成到POF上。将有机电致发光器件的优良性能在通信的新领域得以发挥。

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