一种高电流密度下效率不降低的绿光有机电致发光器件

田苗苗,贺小光,祁金刚,王 宁

(1.长春师范大学物理学院,吉林长春 130032; 2.新加坡南洋理工大学电气科学与电子工程学院,新加坡 639798)

一种高电流密度下效率不降低的绿光有机电致发光器件

田苗苗1*,贺小光1,祁金刚1,王 宁2

(1.长春师范大学物理学院,吉林长春 130032; 2.新加坡南洋理工大学电气科学与电子工程学院,新加坡 639798)

为了提高有机电致发光器件(OLED)在高电流密度下的发光效率,在以C545T掺杂Alq3为发光层的有机小分子绿光器件中的发光层与电子传输层之间插入超薄LiF绝缘层。结果表明,器件的外量子效率随着电流密度的增加始终没有降低,直至600 mA/cm2时达到最大值4.79％,是相同电流密度下的参考器件的外量子效率的7倍。

有机电致发光器件;外量子效率;电流密度;激子

1 引 言

为促进有机电致发光器件(OLED)在平板显示及固态照明等方面的应用,提高OLED的发光效率是一个关键问题[1-2]。目前已有很多关于提高OLED发光效率的方法,如合成新的有机发光材料、选择较合理的主客体掺杂发光体系、降低电荷注入势垒、提高电子及空穴注入平衡水平、调节载流子复合区间位置、采用PIN器件结构及叠层器件结构等[3-6]。尽管如此,由于高电流密度下器件的各种猝灭机制逐渐加剧,导致高的发光效率大多只能在较低电流密度下获得,而随着电流密度的增加,器件的发光效率大幅下降[7-11]。这不仅制约了OLED的实用化,同时也是阻碍有机电泵浦激光器实现的瓶颈问题之一[12-14]。为此,本文在器件中的发光层与电子传输层之间插入超薄LiF绝缘层,研制了以C545T掺杂Alq3为发光层的在高电流密度下具有较高外量子效率的OLED。与没有LiF插入层的参考器件相比,该器件的外量子效率随着电流密度的增加不仅不降低,反而持续增加,说明其高电流密度下的猝灭机制受到了抑制。当器件达到最大工作电流密度600 mA/cm2时,其外量子效率达到最大值4.79％,是相同电流密度下的参考器件的外量子效率的7倍。实验结果表明,该方法可以简单有效地抑制OLED在高电流密度下的损耗,提高了器件的发光性能。

2 实 验

图1为所制备的发光区插入LiF层的器件A的能级结构图,为进行对比分析,我们还制备了发光区无插入层的参考器件B。两个器件均采用热蒸发镀膜的工艺,制备过程中控制腔体真空度高于5×10-4Pa,镀膜速率由频率计连接石英晶振片监测。器件各功能层依次为阳极(ITO)、阳极缓冲层(MoOx,1 nm)、空穴传输层(NPB,74 nm)、发光层(Alq3作为主体材料,荧光染料C545T的掺杂质量分数约为1％,33 nm)、发光区超薄插入层(LiF,0.3 nm)、电子传输层(Alq3,45 nm)、阴极缓冲层(LiF)、阴极(Al)。电致发光光谱(EL)、电流-电压特性曲线(I-V)等采用Photo-Research公司的产品PR705结合Keithley2400精密数字源表进行测试。薄膜厚度由Ambios公司XP-1型台阶仪进行测量校准。

图1 器件A的能级结构示意图Fig.1 Energy level diagram of device A

3 结果与讨论

图2对比了器件A及器件B的电致发光亮度及外量子效率。由图可知,由于器件A的发光区插入了超薄LiF绝缘层,使得器件A的亮度及外量子效率均得到了大幅提升。当电流密度高于100 mA/cm2时,器件A、B的亮度分别为11 950 cd/m2及7 980 cd/m2,器件A是器件B的1.50倍;当电流密度达到300 mA/cm2时,器件A、B的亮度分别为43 640 cd/m2及15 680 cd/m2,器件A是器件B的2.78倍;当电流密度高达600 mA/ cm2时,器件A、B的亮度分别为100 500 cd/m2及14 071 cd/m2,器件A是器件B的7.14倍。而对比两个器件的外量子效率随电流密度的变化趋势,可以看出,在100,300,600 mA/cm2时,器件A的外量子效率分别为3.46％、4.14％及4.79％,是相同电流密度下B器件的1.47、3.45及7.06倍。参考器件B的外量子效率随着电流密度的增加逐渐降低,而此时器件A的外量子效率却随着电流密度的增加而增大,直至600 mA/cm2时达到最大值4.79％,此时器件B的外量子效率值已降为0.678％。虽然此前已有基于C545T作为发光材料的OLED器件获得较高外量子效率的报道,但是,该报道所获得的高效率是当器件工作在较低电流密度(20 mA/cm2)下获得的。而大量研究表明,OLED要进一步实现大规模产业化,必须要提高其在高电流密度下的效率。通常情况下,由于器件的各种激子猝灭过程(如单重态-单重态猝灭、单重态-极化子猝灭以及过剩载流子产生的吸收损耗等)会随着工作电流密度的增大而增加,使器件性能随电流密度的增大而降低[7-11]。器件性能对比结果表明,发光区插入超薄LiF绝缘层可显著改善器件在高电流密度下的性能。

图2 器件A(星形)及参考器件B(圆形)在不同电流密度下的外量子效率及亮度Fig.2 Luminance and external quantum efficiency as a function of current density for device A(star)and B (circle)

图3为器件A在不同电流密度下的电致发光光谱。由图可见,随着电流密度的增加,虽然器件发光强度不断增大,但是发光峰值位置没有变化,始终位于522 nm处,且其发光峰的半高全宽也没有变化。这说明在器件工作电流密度增加的过程中,器件的发光始终都是来源于荧光小分子材料C545T的荧光,没有非线性光学现象产生。器件的外量子效率可由下式[15]给出:

其中:ηγ是器件内电子和空穴的平衡因子,当从阴阳电极分别注入的电子和空穴完全平衡时,其值最大为1。φf是OLED器件发光材料本身的荧光量子效率。χ是单线态激子在激子总数中的比例,有机电致发光器件内激子生成时有25％的单线态激子和75％的三线态激子同时产生,但是根据量子自旋理论,三线态向基态的跃迁是禁阻的,因此,对于荧光小分子OLED,χ值通常为25％。ηph是光耦合输出效率,通常对于ITO阳极基板,由ηph=1/2n2公式,我们认为耦合输出效率ηph=20％。本文中,由于C545T材料的荧光量子效率φf约为80％,ηph取值20％,χ取值25％,因此根据公式(1),即使ηγ取最大值1,推测器件A的最大外量子效率在实际器件中应该小于4％;然而,器件A的最大外量子效率达到了4.79％,且此时器件工作电流密度较高,满足OLED器件实用化要求。因此可以说,本文所采用的方法是一个可以简单提高器件性能的办法。

图3 器件在不同电流密度下的发光光谱Fig.3 Electroluminescent spectra of device A under different current density

为研究器件A性能得到提升的内部物理机制,我们将两个器件的光电性能参数进行了逐一对比。图4给出了器件A、B的I-V特性曲线及归一化的EL光谱对比。器件A与B在结构上的唯一区别就是器件A的发光区插入了薄层LiF,但从图4可见,两个器件的I-V曲线是基本一致的,因此器件A性能的改善并不来源于注入平衡因子ηγ的改善。同时,可以看到两个器件的归一化EL光谱也几乎没有区别,峰值波长均位于522 nm,来源于C545T的荧光。C545T荧光量子效率约为80％,对于器件A、B都是一样的,因此公式(1)中的φf也没有变化。两个器件的阳极均为ITO,且均以玻璃为基板,因此耦合输出效率均为20％,ηph也没有变化。根据以上分析,我们推测:在影响器件A外量子效率的因素中,ηγφfηph均未被改善,而是χ因子(即器件内单、三线态激子比例)由于超薄绝缘层LiF的插入而得到了提高。

图4 器件A(星形)及参考器件B(圆形)的电流-电压特性曲线。插图给出了两个器件的归一化发光光谱。Fig.4 Current density-voltage characteristics of device A (star)and device B(circle).Inset shows the normalization EL spectra of device A and B.

4 结 论

制备了基于C545T∶Alq3为发光材料的绿光有机电致发光器件,在发光层与电子传输层间插入了超薄LiF绝缘层,抑制了器件的外量子效率随电流密度的增加而降低的缺点。在工作电流密度高达600 mA/cm2时,外量子效率达到最大值4.79％,此时参考器件的外量子效率值已降为0.678％,经调控后的器件的外量子效率是参考器件的7倍。通过对影响器件外量子效率的各因素的理论分析,我们推测这种优异的器件性能起因于器件内的单线态激子比例的调控。虽然根据量子自旋理论,通常情况下在有机半导体材料内的激子形成过程中,单线态和三线态激子的生成比例为1∶3,χ值通常为25％,但是,通过巧妙的器件结构设计,可以实现对χ的调控,从而简单有效地提高有机电致发光器件的性能,使器件在较高电流密度下保持较高的效率。

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田苗苗(1980-),女,吉林长春人,博士,副教授,2010年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事有机半导体光电器件及器件物理的研究。

E-mail:tmm8066@163.com

High efficiency Green Organic Light-emitting Diode Without Roll-off Under High Current Density

TIAN Miao-miao1*,HE Xiao-guang1,QI Jin-gang1,Wang Ning2

(1.Physics College,Changchun Normal University,Changchun 130032,China; 2.Luminous Centre of Excellence for Semiconductor Lighting and Displays,School of Electrical and Electronic Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798) *Corresponding Author,E-mail:tmm8066@163.com

In order to improve the efficiency of organic light emitting diodes(OLEDs)working at high current density,a LiF layer was inserted between emiiting layer(EML)and electron transporting layer(ETL)of a C545T∶Alq3based OLED.The external quantum efficiency(EQE)of the device increases with the increasing of the current density.When the current density is 600 mA/cm2, the maximum value of EQE is the biggest of 4.79％,seven times of the reference OLED.

OLEDs;external quantum efficiency;current density;exciton

TN383+.1

:ADOI:10.3788/fgxb20153611.1307

1000-7032(2015)11-1307-04

2015-08-18;

:2015-09-20

国家自然科学基金(61404010);吉林省教育厅项目(2013-257,2014-261);长春师范大学自然科学基金(2013-002)资助项目