低效率滚降、光谱稳定的蓝光有机发光器件

曲加伟,穆晓龄,梁续旭,郭永林,赵 毅

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

低效率滚降、光谱稳定的蓝光有机发光器件

曲加伟,穆晓龄,梁续旭,郭永林,赵 毅*

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

将多个(Ir(ppz)3:FIrpic,1 nm)薄层对称地插入发光区(mCP:FIrpic)中形成周期性结构,研究了该结构对蓝光有机发光器件性能的影响。结果表明,这种结构有效地抑制了发光区位置的漂移,减小了效率滚降,提高了光谱的稳定性;同时增强了载流子的直接俘获复合,提高了器件的效率。相对于无周期性发光层结构的器件,最大电流效率从16.55 cd/A提高到20.70 cd/A,最大功率效率从14.85 lm/W提高到16.26 lm/ W,效率滚降改善了40%。

蓝光有机发光器件;效率滚降;光谱稳定性;俘获复合

1 引 言

近年来,有机发光器件(Organic light-emitting devices,OLEDs)作为下一代平板显示及固态照明光源引起了人们的广泛关注[1-6]。高效率及高稳定性的红光OLEDs和绿光OLEDs[7-8]目前已经有了大量的文献报道。相比之下,蓝光有机发光二极管(Blue organic light-emitting diodes,BOLEDs)发展得不是很理想。BOLEDs的效率随电流密度的增加存在很严重的滚降现象[9-10]。以前的研究已经确定了效率滚降的原因是三线态-三线态湮灭(Triplet-triplet annihilation,TTA)[11]和三线态-激化子猝灭(Triplet-polaron quenching,TPQ)[12]。TTA与TPQ是由于在结合区内有很高的激子和载流子浓度却没有及时发光引起的。而发光区随外加电压的漂移会导致发光区内不能均匀发光,使得载流子及激子集中在发光区的某一位置,这不仅使光谱稳定性变差,还导致猝灭越发严重,从而加剧了效率的衰减[13]。因此,降低BOLEDs的效率滚降是提高BOLEDs性能的关键。

本文采用在发光区内周期性地插入掺有蓝光FIrpic染料的Ir(ppz)3薄层的方法,调整了发光区内的载流子分布,减小了猝灭的发生,减缓了发光区位置漂移引起的效率滚降并提高了光谱稳定性。

2 实 验

2.1 实验材料

实验所用材料主要有N,N′-diphenyl-N,N′-bis(1-napthyl)-1,1′-biphenyl-4,4′-diamine(NPB), 4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TcTa), 1,3-bis(carbazol-9-yl)benzene(mCP),Iridium bis (4,6-di-fluorophenyl)-pyridinato-N,C2′)picolinate (FIrpic),4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline(Bphen), fac-tris(1-phenylpyrazolato-N,C2′)-iridium(Ⅲ) (Ir(ppz)3)和氟化锂(LiF)。NPB和Bphen分别作为空穴及电子传输层,TcTa作为激子阻挡层, Ir(ppz)3作为载流子阻挡及俘获层,mCP和FIrpic分别作为母体及发光染料,LiF作为电子注入层。

2.2 器件制作与测量仪器

用带有ITO的玻璃作为衬底,并分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10 min。吹干后,放入烤箱内烘干10 min。最后用紫外臭氧处理10 min。处理好的玻璃衬底放入真空蒸镀室内。整个器件的制备是在5×10-4Pa的真空度下进行的,器件的有效面积为2 mm×2 mm,薄膜的厚度由带有晶振片的膜厚仪进行监测。器件的电学、光学特性通过Keithley 2400和光谱仪LMSPR655测得。

3 结果与讨论

图1为所用材料的能级结构和发光层内部的物理过程。

为了降低因发光区漂移而引起的效率滚降问题,我们制作了一组器件A、B、C、D,结构如表1所示。其中,器件A、B、C、D中掺有FIrpic染料的Ir(ppz)3(F-I)薄层数量分别为0,1,2,3,发光层的厚度保持20 nm不变。FIrpic的10%的掺杂比例均为质量分数。

图1 (a)所用材料的能级结构,实线代表LUMO和HOMO能级,虚线代表三线态能级;(b)发光层内部的物理过程。Fig.1 (a)Energy level diagram of each material,solid lines for HOMO and LUMO levels,dashed lines for the triplet energy level.(b)Physical processes in emission layer.

图2 器件A、B、C和D的电流密度-电压-亮度特性曲线。Fig.2 Current density-voltage-luminance characteristics of devices A,B,C and D,respectively.

图2为4个器件的电流密度-电压-亮度曲线(J-V-L)。随着掺有F-I薄层数量的增加,器件的电流密度逐渐下降,器件的亮度先增大后减小。在相同电压下,器件C的亮度最大。

图3为4个器件的电流效率-亮度(ηCE-L)和功率效率-亮度(ηPE-L)曲线。随着F-I薄层数量的增加,器件的效率先增大后减小,但是器件B、 C、D的滚降均比器件A小。器件A在9 348 cd/ m2的亮度下的效率滚降为50%,而器件B的效率滚降为36.02%,相对于器件A改善了27.97%。器件C的效率滚降为30%,相对于器件A改善了40%。器件D的效率滚降为23.84%,相对于器件A改善了52.32%。综合考虑,器件C的性能最优,相对于传统结构,最大电流效率从16.55 cd/A提高到20.71 cd/A,最大功率效率从14.85 lm/W提高到16.26 lm/W,效率滚降改善了40%。

表1 器件A、B、C和D的结构Table 1 Structures of A,B,C and D

图3 器件A、B、C和D的电流效率-亮度(a)和功率效率-亮度(b)曲线。Fig.3 Current efficiency-luminance(a)and power efficiencyluminance(b)of device A,B,C and D,respectively.

图4为器件A、B、C及D的归一化光谱强度。可以看出,F-I薄层越多,器件的光谱越稳定。

为了探究引起这些现象的原因,我们制作了两组单载流子器件(e-0、e-1、e-2;h-0、h-1、h-2),器件结构见表2。图5为单电子器件及单空穴器件的J-V特性曲线,从图5(a)可以看出,e-1和e-2的电流密度低于e-0,其原因是Ir(ppz)3高的LUMO能级及空穴传输特性阻挡了电子的传输。FIrpic的LUMO能级比mCP低,对电子产生束缚。e-1的电流密度低于e-2,表明Ir(ppz)3对电子的阻挡作用要强于FIrpic对电子的束缚作用。从图5(b)可以看出,h-1和h-2的电流密度均低于h-0,其原因是Ir(ppz)3及FIrpic的HOMO能级均高于mCP,对空穴产生束缚作用。h-1的电流密度低于h-2,是因为Ir(ppz)3对空穴的束缚作用大于Firpic。随着F-I薄层数量的增加, mCP能级的连续性降低,这在一定程度上也阻碍了电子及空穴在mCP母体的LUMO和HOMO能级上的传输,导致电流密度降低。

图4 器件A(a)、B(b)、C(c)及D(d)的归一化光谱,其中插图为光谱在480～520 nm波长范围内的变化情况。Fig.4 Normalized electroluminescence intensity of device A(a),B(b),C(c)and D(d),respectively,where illustrations are the changes of spectra from 480 to 520 nm.

表2 单电子及单空穴器件结构Table 2 Structures of electron-only devices and hole-only devices

为了对发光层内部的物理过程进行进一步的研究,我们制作了另外两组单载流子器件(e-3、e-4; h-3、h-4),器件结构见表3。图6为两组单载流子器件的J-V特性曲线。从图6(a)可以看出,e-4的电流密度低于e-3。这是因为Ir(ppz)3高的LUMO能级形成了电子势垒,拆分后的Ir(ppz)3薄层增加了电子势垒的数量,对电子的阻挡增强。

从图6(b)可以看出,h-4的电流密度低于h-3。这是因为Ir(ppz)3高的HOMO能级上形成了空穴陷阱,h-4增加了陷阱的数量。因此,尽管Ir(ppz)3是空穴传输材料,但是拆分后对空穴有很好的束缚作用。通过对Ir(ppz)3层拆分后的器件与未拆分的器件进行比较,发现Ir(ppz)3层拆分对电子和空穴有更强的阻挡和束缚作用。当在发光区内插入F-I薄层时,Ir(ppz)3和FIrpic对电子的阻挡和束缚及对空穴的束缚,以及母体mCP能级的不连续,使得电子和空穴由mCP能级的断裂处注入到Ir(ppz)3层内的FIrpic能级上去,增加了载流子俘获形成激子的几率,同时FIrpic可以通过Dexter和Förster能量转移从Ir(ppz)3获得能量形成激子。由于F-I层很薄,该层中FIrpic能级上俘获的载流子及形成的激子很容易向两侧扩散,被mCP母体层中的FIrpic利用,不会因堆积而引起猝灭。随着Ir(ppz)3薄层数量的增加,载流子俘获及激子产生区增加,使得整个发光区被充分利用,发光得到增强。但是当薄层的数量超过2时,电子阻挡及空穴俘获的强度增加,使得发光层内部的载流子减少,降低了发光强度,从而降低了器件的效率,这从图2和图3中效率-亮度曲线可以看出。F-I薄层越多,越抑制发光区的漂移,使得发光层内载流子及激子分布得更加均匀。发光区位置的稳定也增强了器件光谱的稳定性[14](图4)。

图5 单电子器件(a)和单空穴器件(b)的电流密度-电压特性曲线Fig.5 Current density-voltage characteristics of electron-only devices(a)and hole-only devices(b)

图6 (a)Ir(ppz)3层未拆分与拆分后的单电子器件的电流密度-电压特性曲线;(b)Ir(ppz)3层未拆分与拆分后的单空穴器件的电流密度-电压特性曲线。Fig.6 (a)Current density-voltage characteristics of electrononly devices with and without divided Ir(ppz)3 layer. (b)Current density-voltage characteristics of hole-only devices with and without divided Ir(ppz)3 layer.

表3 Ir(ppz)3层未拆分与拆分后的器件结构Table 3 Structures of devices with undivided and divided Ir(ppz)3 layer

4 结 论

在蓝光有机发光器件的发光区(mCP:FIrpic)中对称地插入多个(Ir(ppz)3:FIrpic,1 nm)薄层能够提高器件的效率、降低滚降及提高光谱的稳定性。这种掺有FIrpic染料的Ir(ppz)3薄层的周期性结构使得发光层内有较均匀的载流子和激子分布,避免了因电场改变造成的载流子和激子不均匀分布引起的猝灭问题。相对于传统结构,器件的最大电流效率从16.55 cd/A提高到20.71 cd/A,最大功率效率从14.85 lm/W提高到16.26 lm/W,效率滚降改善了40%。

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曲加伟(1988-),男,黑龙江绥棱人,硕士研究生,2013年于吉林大学获得学士学位,主要从事有机电致发光器件方面的研究。

E-mail：jldxqjw@qq.com

赵毅(1968-),男,吉林长春人,教授,博士生导师,2001年于吉林大学获得博士学位,主要从事有机电子器件方面的研究。

E-mail：yizhao@jlu.edu.cn

Blue Organic Light-em itting Devices w ith Low Roll-off and Stable Spectra

QU Jia-wei,MU Xiao-ling,LIANG Xu-xu,GUO Yong-lin,ZHAO Yi*
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,College of Electronic Science and Engineering,Jilin University,Changchun 130012,China) *Corresponding Author,E-mail：yizhao@jlu.edu.cn

Blue organic light-emitting deviceswith periodic doped Ir(ppz)3emission layerswere investigated.It effectively inhibited the drift of emission zone,reduced roll-off of efficiency caused by quenching and enhanced the spectral stability.Meanwhile,it enhanced excitation mechanisms of self-recombination by carrier trapping of FIrpic in Ir(ppz)3,improved the utilization rate of carriers and efficiency of devices and reduced the leakage of carriers to electrode.Compared with traditional device,themaximal current efficiency and maximal power efficiency were improved from 16.55 cd/ A to 20.71 cd/A and from 14.85 lm/W to 16.26 lm/W,respectively,and the efficiency roll-off was improved 40%.

blue organic light-emitting device;roll-off of efficiency;spectral stability;self-recombination

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20153609.1022

1000-7032(2015)09-1022-06

2015-04-22;

2015-07-25

国家自然科学基金(61275033)资助项目