中间层对三原色白光OLED的影响

王 培，王 振，郑 新，柳 菲，陈 爱，谢嘉凤，王玉婵

(重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065)

1 引 言

白光有机发光二极管(White organic light-emitting diodes,WOLEDs)作为一种新型的照明技术正在全世界范围内掀起一股行业潮流。与LED照明不同的是，WOLEDs照明可以高效节能地实现模拟自然白光，对环境的污染较小。同时WOLEDs具有制造工艺简单、可大面积制作等优点[1-11]。因此，设计高效的白光器件便成为了各国科研者工作的目标。多发光层白光器件是目前研究最多的一种白光器件[12-14]。Sun等[15]设计了BGR三原色白光器件，其三发光层结构为FIrpic∶UGH2/Ir(ppy)3∶mCP/PQIr∶TCTA，在1000cd/m2时获得了34lm/W的效率。Reineke等[16]同样利用三原色发光层发光混合成白光原理，得到了在1000cd/m2时效率为90lm/W的白光器件。载流子的注入通过在各发光层之间引入中间层方式来平衡[15]。

FIrpic与TmPyPb的T1能级分别为～2.65eV和～2.62eV，两者可以形成共振，对于在含有TmPyPb区域内的三线态激子而言，其运动几乎是自由的。不仅如此，由于两者三线态能级接近，出现辐射发出蓝光的过程包括正常退激和延迟退激，较长寿命的三线态激子在转移的途中能量包括两部分：一是将能量传递给客体发光，二是将能量传递到其他区域，导致蓝光发光层的效率不高。综上，将蓝色发光层位于红色发光层与绿色发光层之间，以保证激子的充分利用和各发光层均实现发光，形成白光。

本文通过在各发光层之间插入中间层，利用Dexter与Forster能量转移条件与材料对激子的调节作用，研究中间层对器件白光发射的影响。研究表明，具有双中间层的器件实现了优异的白光发射，其最大发光效率达到了22.56cd/A。

2 实 验

实验中设计了以下A、B、C、D4种器件，其中的百分数为质量分数：

ITO/NPB(35nm)/TCTA(5nm)/Ir(MDQ)2-(acac)∶TCTA10%(6nm)/TCTA(xnm)/FIrpic∶TmPyPb20%(6nm)/TmPyPb(ynm)/Ir(ppy)3∶TmPyPb10%(6nm)/TmPyPb(40nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)，其中A:x=0,y=0;B:x=0,y=2; C:x=2,y=0;D:x=2,y=2。

实验中所用有机化合物材料的结构式如下：

玻璃衬底参数为：ITO厚度约为40nm，方块电阻约为50Ω/□。为去除其表面的油污和灰尘对衬底进行常规的清洗操作，丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗。为了获得较高的表面洁净度和ITO功函数，采用氧等离子体对衬底进行处理。处理过程中保持O2流量800mL/min，处理设备功率80～100W，处理时间为8min。然后立即放入蒸发镀膜设备中。采用真空热蒸镀方法，在高真空条件下(～10-5Pa)制备三原色磷光白光OLED器件。器件的结构和能级图如图1所示。

图1 器件结构和能级图Fig.1 Structure and energy level of the devices

可以从器件结构上得知：空穴从NPB注入到Ir(MDQ)2(acac)∶TCTA红光区域后可以不越过任何势垒达到靠近中间发光层FIrpic∶TmPyPb的左侧附近，电子从TmPyPb传输到FIrpic∶TmPyPb发光层的右侧或者Ir(ppy)3∶TmPyPb发光层的左侧附近，进而复合产生激子。

3 结果与讨论

图2是A器件在电流密度分别为1，10，100mA/cm2下的EL光谱。红光发射强度最大，随着电流密度的增加，蓝光和绿光发光强度逐渐增强，且绿光强度略高于蓝光强度。主要原因有：Ir(MDQ)2(acac)三线态能级最低，获取能量的能力最强，红色发光强度最大。发光层与发光层之间无中间层，随电流密度增加，蓝色与红色发光层之间的接触面处出现激子复合从而造成三线态激子猝灭[17]，Dexter能量转移被抑制，红光发射强度减弱，绿色与蓝色光发射强度上升。电流密度增加，使得在蓝光与绿光发光层内辐射发光的激子增多，从而蓝色与绿色光发射强度增加。绿光强度略高于蓝光则是由于TmPyPb、FIrpic、Ir(ppy)3的三线态能级分别为2.62，2.65，2.4eV，Ir(ppy)3从TmPyPb获得能量更容易。

图2 器件A的EL光谱Fig.2 EL spectra of device A

图3是器件B在1，10，100mA/cm2电流密度下的EL光谱。只在蓝色发光层与绿色发光层之间插入2nm TmPyPb中间层后，红光发射最强，随着电流密度的增加，蓝色和绿色发射强度均出现了上涨，且蓝色略高于绿色。Dexter能量转移最佳距离在1～2nm内[18]，对于铱复合物而言，Foster能量转移的典型距离低于2nm[19]，2nm的中间层引入导致蓝色发光层与绿色发光层之间的Forster与Dexter能量转移被抑制，因此蓝光发射强度大于绿光。另外，TmPyPb的电子传输与空穴阻挡特性，使得相对较多的激子在蓝色发光层复合发光，蓝色发射强度高于绿色。红光发射最强的原因与图2中分析类似。随电流密度增加，蓝色发光层区域内的更多载流子越过势垒在绿色发光层形成激子复合发光，使得蓝色与绿色发光比例上升。

图3 器件B的EL光谱Fig.3 EL spectra of device B

图4是器件C在1，10，100mA/cm2电流密度下的EL光谱。在蓝色发光层与红色发光层之间引入2nm TCTA中间层，出现绿光发射最强、蓝光其次、红光最弱。因为TCTA是一种良好的空穴传输与电子阻挡材料，导致较多激子在蓝色发光层中退激，发射蓝光。FIrpic与Ir(MDQ)2(acac)之间存在的能量转移均被抑制。同时，蓝色到红色发光层之间的能量转移由于TCTA中间层的高三线态能级被极大地削弱，限制了激子扩散到红色发光层[20]，红光发射强度最低。但激子在TmPyPb材料中的运动几乎自由，绿光客体材料获取能量能力较强，绿光发射强于蓝光。考虑到在有机物中的三线态激子的扩散长度为100nm左右[21]，在100mA/cm2时，更多激子扩散到红色发光层使得其发光强度略高于1，10mA/cm2两种电流密度。

图4 器件C的EL光谱Fig.4 EL spectra of device C

图5是器件D在1，10，100mA/cm2电流密度下的EL光谱。可见在各发光层之间均插入中间层后，器件实现了很好的白光发射。蓝光发光强度最强、绿光其次、红光最弱，其原因：一是2nm TCTA与2nm TmPyPb中间层同时插入，保证了更多的激子在蓝色发光层中退激辐射发光；二是双中间层导致B和C两种器件中存在的能量转移导致的发光强度增强效果同时出现在器件D中，使得激子被传输到各个发光层均辐射发光。

图6是4种器件的J-V-L特性曲线图。电流密度的差异性来源于中间层的引入，还与不同的中间层和中间层数量有关。器件D最厚，内阻较大，使得在相同电压下其电流密度与其余3种器件相比最低。器件A最薄，电流密度最大，B由于中间层与相邻两发光层主体材料一致，载流子注入更平衡，电流密度高于器件C。器件A由于能量转移，激子在所有发光层内复合发光，激子浓度较低，发光强度最弱。中间层阻碍了C中三线态激子向蓝色发光层转移，同时蓝色发光层中有部分激子可运动到TmPyPb中，激子浓度低于器件B，因此发光强度低于器件B。总之，器件D发光强度最大。

图5 器件D的EL光谱Fig.5 EL spectra of device D

图6 器件的J-V-L特性曲线Fig.6 J-V-L characteristics of the devices

图7是器件的E-V特性曲线，器件A、B、C、D的最大效率分别为28.25，25.33，26.88，22.56cd/A。器件的最大发光效率随中间层数量下降，这是因为中间层可以直接调节载流子分布以及影响能量转移使得存在中间层的器件与无中间层器件相比，激子被限制在某些区域内，利用率下降，发光效率较低。B器件最大发光效率不及C则是因为C器件中蓝绿发光层主体材料相同，客体材料之间形成共振，激子能够更高效地被利用。4种器件均是随电流密度增加达到峰值后开始下降，主要有两方面的原因：一是电子和空穴在越过势垒之后随电流密度增加出现了三线态极化子湮灭效应[22]；二是电流密度较高时出现激子聚集导致猝灭效应发生。在后续大电压的情况下，D器件开始逐渐拥有最大发光效率，这是由于器件D有双中间层的存在，三线态激子猝灭效应低于器件A、B、C。表1为4种器件在不同电流密度下的CIE。

图7 器件的E-V特性曲线Fig.7 E-V characteristics of the devices

表1 器件在不同电流密度下的CIE坐标Tab.1 CIE coordinates of the devices in different current density respectively

4 结 论

本文通过在一种三原色白光OLED结构中相邻发光层之间插入中间层，系统研究了中间层对器件能量转移、激子产生和复合等内在物理机制的影响。研究发现，无中间层的器件与只在蓝色与绿色发光层之间插入2 nm TmPyPb中间层的器件发光主要成分均为红光，后者蓝光成分强于前者；只在蓝色与红色发光层之间插入2 nm TCTA中间层，器件发光成分主要为绿色和蓝色，红色发射比例较低；各发光层之间均插入中间层，器件发光成分主要为蓝色与绿色，实现了较好的白光发射，获得了发光效率达22.56 cd/A、色坐标接近标准白光的三原色混合白光器件。研究表明，中间层的引入可以调整激子的分布，影响能量转移，进而影响三原色白光器件的发光性能。

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