高效率双发光层蓝光OLED

杜帅 张方辉

摘要：采用蓝色有机荧光染料TBPe和蓝绿光染料DPAVBi作为客体发光材料，将其分别掺入主体材料ADN中形成双发光层，制备了结构为ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率蓝色OLED器件。在电压为14V时，器件发光亮度为13050cd/m2，电流密度为130.67mA/cm2，最大电流效率为11.96cd/A，分别是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi为单发光层器件2.3和1.1倍。且在电压从10V增长到15V时，色坐标仅从（0.16，0.26）变化到（0.16，0.25），具有较高稳定性。原因为双发光层结构削弱了空穴和电子载流子在界面处积累，增加了激子产生区域以及能量能在主体与客体间进行有效转移。

关键词：荧光；双发光层；蓝光OLED

一、引言

OLED 由于其具有自发光、广视角、响应速度快、大尺寸、全固体化、低功耗、可柔性化等不可替代优势被喻为下一代平板显示器“明星”。要想实现OLED全彩色化显示，高效红、绿、蓝三基色单色显示则是不可或缺一部分。目前，红、绿单色有机电致发光器件性能已经达到实际应用标准，然而蓝光器件亮度、效率、寿命仍然较差，其性能有待提高。蓝色荧光材料由于只能利用单线态激子能量发光使得其最大内量子效率只能达到 25%，而蓝色磷光材料虽然可以达到100%内量子效率但需要用 Pt、Ir 等重金属原子，增大了器件制作成本，并且由于蓝色磷光材料三线态能隙比一般主体材料宽，使得主客体之间充分能量传递受限。因此，针对如何制备高效率蓝色有机电致发光器件进行了不断探索。由于多数单发光层结构器件激子产生区域靠近

传输层一侧，易使激子扩散到电极处引起发光淬灭，导致器件发光效率下降。因此，开展了对多发光层结构蓝色OLED研究工作。Bang等[1]采用BCP掺杂MADN和MADN掺杂mCP作为双发光层制备了蓝光器件，亮度达到10270 cd/m2。Qi等[2]将不同浓度N-BDAVBi掺杂到CBP中作为双发光层制备蓝光器件，亮度达到了40040cd/m2，最大发光效率达到了18.99cd/A。Lin等[3]采用DPVBi为主体材料，分别掺杂BCzVB和C545T作为双发光层制备蓝光器件，与对应单发光层器件相比，极大地提高了器件色度和电流效率。因此，研究双发光层结构蓝色OLED具有重要意义。

本文采用蓝色有机荧光染料TBPe和蓝绿光染料DPAVBi作为客体发光材料，将其分别掺入主体材料ADN中形成双发光层，制备了结构为ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：TBPe（15nm）/ADN：DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率蓝色OLED器件。

二、实验

（一）、实验准备

首先将ITO玻璃进行划片和刻蚀，然后将清洗好且干燥ITO基板置于预处理室进行等离子轰击15min，以提高ITO基板表面功函数，降低驱动电压，达到更好注入效率，轰击完毕后用机械手传递至主真空腔体内，待真空度抽到7×10-4Pa左右时进行蒸镀。

（二）、器件制备

在相同实验条件下，将蓝色荧光染料TBPe和DPAVBi分别掺入到主体材料ADN中作为发光层，制备了单发光层和双发光层结构OLED，器件结构分别为：

Device A：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device B：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（30nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device C：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

Device D：ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）

其中，2-TNATA為空穴注入层，NPB为空穴传输层，ADN：DPAVBi和ADN：TBPe为蓝光荧光发光层，Alq3为电子传输层，LiF/Al为复合阴极。

（三）、器件性能测试

器件电压、电流、亮度、电致发光光谱等参数，由电脑控制可编程电流-电压源Keithley Source 2400和光谱扫描光度计PR-670所构成测试系统进行测量。所有器件均在室温下测量。

三、分析与讨论

图1 OLED器件能级结构图

本文所设计器件C能级结构如图1所示，能级值引自文献[4-8]。从图1可以看到NPBLUMO为2.3eV，比蓝色荧光掺杂材料TBPe和主体材料ADN分别高出0.5eV和0.3eV，所以可以有效将电子限制在发光层内，提高电子和空穴在发光层中复合几率，达到提高光效目。还可以看到，ADN具有3.1eV能隙，TBPe和DPAVBi均为2.7eV能隙，可见主体材料ADN带隙大于掺杂物TBPe和DPAVBi带隙，所以可以较好提高器件效率。同时采用相同主体材料ADN，使得两个发光层能级相同，没有势垒差，更有利于载流子在发光层中迁移，提高发光效率。

图2器件电压-发光亮度关系曲线

图2为器件电压-亮度关系曲线。由图2可以观察到，器件启亮电压均为4V。在同样驱动电压下，器件C亮度更高，在电压为14V时，最大亮度为13050cd/m2，原因是在ADN：DPAVBi发光层中，客体材料DPAVBiHOMO能级较低使其为空穴传输提供了另一个渠道，而在ADN：TBPe发光层中，客体材料TBPeLUMO能级较低使其为电子传输提供了另一个渠道，电子和空穴可以更多被限制在发光层中，且空穴迁移速度比电子高两个数量级，器件C结构可以使电子能充分在发光层中与空穴进行复合，使得在相同驱动电压下，器件C亮度相对较大。

圖3 器件电流密度-效率关系曲线

图3所示为器件电流密度-电流效率图，从图3中可以看出，4类器件在低电流密度下电流效率快速达到最大值，在高电流密度下出现衰降。低电流密度下，器件发光机制既有Forster能量转移也有来自掺杂材料分子对载流子直接俘获产生辐射复合发光是器件电流效率快速增加主要原因。高电流密度下出现激子聚集引发发光淬灭是导致器件电流效率衰降主要原因。其中双发光层器件C最大电流效率为11.96cd/A，分别是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi为单发光层器件A和B2.3和1.1倍。器件D中，由于客体材料能级，载流子除在ADN分子上形成激子之外，也易在NPB/ADN和ADN/Alq3界面积累，使得复合几率下降。在单发光层器件A、B中，载流子复合区域较窄，并且靠近传输层一侧，导致一部分激子和载流子扩散到传输层，降低器件发光效率。双发光层器件电流效率增加是因为在主体ADN中形成了激子，然后将能量传递给掺杂材料辐射发光。因此，导致双发光层器件效率增大主要因素包括：双发光层结构减少了界面处载流子累积及发光淬灭，增加了激子产生区域，同时能量能从主体有效向客体转移。

图4 器件8V电致发光光谱

图5器件在各电压下归一化光谱图

图4为器件A、B、C、D、E相对光谱图，可以看到器件发光覆盖了从380-780 nm可见光区。图中比较明显两个发光峰值，分别位于464nm、476nm处，对应于TBPe和DPAVBi特征发光峰，器件呈现蓝光发射。说明主体材料ADN可以通过Forster能量转移机制将激发能量传递给掺杂材料。四种器件EL光谱中均未出现主体材料ADN特征发光峰，表明除被激发主体分子能量除非辐射损失之外，还可以有效转移到掺杂材料。器件C发光强度最强，说明此时电子和空穴注入比较平衡，从而能够在发光层中更有效复合形成激子，激子退激发光，产生更强光出射。

从图4中还可以看到器件在436nm附近有一个发光强度比较弱来自NPB发光峰。在520nm附近有一个发光强度比较弱Alq3发光峰。由图4所示器件能级结构图可以看到，Alq3HUMO能级为5.8eV，ADNHUMO能级为5.7eV，势垒为0.1eV，当施加驱动电压后，随着电压逐步增大，会有部分高能量空穴载流子穿过发光层进入到电子传输层，引起Alq3发光。还可以看到，NPBLUMO为2.3eV，该LUMO能级比主体材料ADN高出0.3eV，很大程度上阻挡了电子流入NPB中，但是还是有小部分电子流入NPB中与空穴复合发光。

如图5所示为器件C归一化光谱图，发光峰在不同电压下不偏移，光谱重叠性很好，表明了器件色坐标比较稳定，不易随电压变化而改变，说明了器件各发光层中载流子数目比较平衡，从而使各发光层发射强度相当，使器件色度较好。

器件C在电压从10V增长到15V时，色坐标仅从（0.16，0.26）变化到（0.16，0.25），表明了器件光辐射具有较高稳定性，不随驱动电压变化而改变，发光颜色始终位于蓝光区域，并且随驱动电压升高，蓝光色纯度提高。

四、结 论

制备了结构为ITO/2-TNATA（10nm）/NPB（40nm）/ADN：2wt.%TBPe（15nm）/ADN：5wt.%DPAVBi（15nm）/Alq3（30nm）/LiF（1nm）/Al（100nm）高效率蓝光OLED。同时制备了单发光层掺杂结构器件作为对比。在电压为14V时，器件发光亮度为13050cd/m2，电流密度为130.67mA/cm2，最大电流效率为11.96cd/A，分别是以ADN：TBPe和ADN：DPAVBi为单发光层器件2.3和1.1倍。且在电压从10V增长到15V时，色坐标仅从（0.16，0.26）变化到（0.16，0.25），具有较高稳定性。

参考文献：

[1]Bang H S，Choo D C，Kim T W.Luminance enhancement mechanisms for blue organic light-emitting devices utilizing a double emitting layer [J].Journal of Electrochemical Society，2011，158（10）： 291-293.

[2]Qingjin Qi，Xiaoming Wu，Yulin Hua，et al.