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空穴传输层厚度对OLED性能的影响

2014-4-4  来源:(电子科技大学光电信息学院 成都610054)  作者:阳秀 黎威志 钟志有 蒋亚东  有4137人阅读

该文采用聚乙烯基咔唑(PVK)作为空穴传输层,8-羟基喹啉铝(Alq3)作为发光层,制备了结构为ITO/PVK(0-60nm)/Alq3(60nm)/Mg:Ag/Al有机发光二极管。通过测试器件的电流-电压—发光亮度特性,研究了空穴传输层厚度对有机发光二极管器件性能的影响,优化了器件功能层的厚度匹配。实验结果表明,有机发光二板管的光电性能与空穴传输层的厚度密切相关,当空穴传输层厚度为15nm 时,有机发光二板管器件具有最低的起亮电压、最高的发光亮度和最大的发光效率。

  0 前言

  自从1987年文献【1】首次采用芳香二胺类衍生物为空穴传输材料,以8-羟基喹啉铝(Alq3)为发光层材料,制备出高效率、高亮度和低驱动电压的有机发光二极管(Organic Light-Em iting Diode,OLED )以来,由于其功耗低、亮度高、视角宽、响应速度快等诸多特点而受到了极大的关注,有机电致发光(Emissive Layer,EL)的研究已经成为当前发光显示领域的热点之一。人们从发光材料、制备工艺,到发光机理、器件结构等各个方面进行了大量的研究工作,器件的光电性能得到了明显提高,但是器件的发光效率和亮度等因素仍然是阻碍OLED商业化的瓶颈之一。为了改善发光器件的光电性能,本文采用聚乙烯基咔唑(PVK)作为空穴传输材料,Alq3作为电致发光/电子传输材料,制备了结构为氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al的OLED 器件,研究了空穴传输层厚度对器件光电性能的影响,优化了器件功能层的厚度匹配,获得了结构优化的OLED器件。

  1 实验

  1.1 材料

  实验选用ITO导电玻璃(15Ω)作为OLED 器件的阳极材料,高纯度金属镁(99.9%)、银(99.9%)和铝(99.999%)作为器件的阴极材料,PVK作为器件的空穴传输层材料,Alq3作为器件的发光层兼电子传输层材料。这些有机材料均购自美国Aldirch公司,其分子结构式可参见文献【1-3】。

  1.2 ITO基片表面处理

  制备OLED器件前,ITO基片采用洗涤剂、丙酮溶液、NaOH 溶液、乙醇溶液,及去离子水超声各清20 min,然后利用高纯氮气吹干,置于OLED-V 型有机多功能成膜设备的预处理室中,250V电压下进行氧气等离子体处理约30min。

  1.3 OLED 器件制备

  将不同浓度(2、3、6、9 mg/m1)的PVK/氯仿溶液,用4 000 r/min的转速(时间为60s)旋涂成膜于清洁ITO基片上,得到不同厚度 、l5、30、60nm )的PVK薄膜。对于旋涂获得的所有PVK 薄膜在真空条件下烘烤大约30min,以去除薄膜中的残留溶剂。

  最后在真空度为10-4Pa时,采用热蒸发方式依次沉积有机层Alq3、合金阴极层Mg:Ag(10:1)及金属层Al。合金Mg:Ag利用双源共蒸技术制备而获得,蒸发速率和膜厚通过石英晶体振荡器监控。有机层和金属层的蒸发速率分别为0.2-0.4 nm/s和2-4 nm/s,各功能层的 厚度及所制作的 OLED器件结构为ITO/PVK (O-60nm )/Alq3(60 nm )/M g:Ag(100 nm )/Al(150nm )。

  1.4 OLED 器件性能测试

  在大气和室温(25℃) 条件下,利用KEITHLEY-4200半导体测试仪、ST-86LA屏幕亮度计和OPT-2000光谱光度计,分别对所有未封装的OLED 器件的电压、电流、亮度和光谱进行测试。

  2 结果和讨论

  2.1 空穴传输层厚度对器件电-电压特性的影响

  图1为不同厚度空穴传输层器件的电流-电压(J-V)特性曲线,图中字母A代表单层器件,字母B、C、D 、E分别代表PVK厚度为4、15、3O、60 nm 的OLED 器件。由图l可知,所有器件的电流密度随驱动电压的增大都呈现出平稳的增加,电流密度并不是随着空穴传输层PVK厚度的增加而单调减小。当正向偏压小于8 V 时,外加电压增大,电流密度的变化并不明显;当外加电压增大到一定程度时,电流才迅速增加。当V =15 V 时,器件A 、B 、C 、D 、E的电流密度分别为 7.2 、31.0、30.3 、22.7、24.6 mA/cm²。在相同电压咐 ,通过器件的电流密度确大小关系为B > C > E > D > A 。由于PVK是一种性能优良的空穴传输材料,它的引入有效提高了OLED 器件中载流子的复合,使双层器件的电流密度明显大于单层器件。同时,对于双层O LED 虽然空穴传输层PV K 的引入,有助于提高器件中的载流子复合,但PVK 厚度的增加,加大了器件的串联电阻。因此,只有当PVK的厚度合适时,器件的电流密度最大。

  图1 不同厚度空穴传输层器件的曲线

  2.2 空穴传输层厚度对器件L-V特性的影响

  图2为所有OLED 器件的L-V特性曲线,很显然,空穴传输层厚度明显影响器件的启亮电压和发光亮度。由图可以看出,器件A 、B 、C 、D 、E的启亮电压分别为7.2、4.5、4.4、4.7、4.6 V ,其中器件C 的启亮电压最小,而器件A的启亮电压最大。当正向偏压小于8 V 时,器件的发光亮度三随外加电压朋勺变化不显著;当外加电压V大于8V 时,器件C 、D 的发光亮度三随蹦旨大而迅速增强,但器件A 的发光亮度变化不够明显。当外加电压V相同时,器件的发光亮度L存在较大的差别,如当V =15V 时,器件A 、B 、C 、D 、E的发光亮度 依次为75.7、l805.4、2408.1、l503.8、l722.6 cd/m² ,相同电压时OLED 发光亮度的大小依次为C > B > E > D > A 。容易发现:器件C具有最高的发光亮度,当 V=20 V 时,L的值接近5557.5 cd/㎡,远远高于其他的OLED 器件。

  图2 不同厚度空穴传输层器件的L-V曲线

  2.3  空穴传输层厚度对器件η-V特性的影响

  不同厚度空穴传输层器件的η-V特性曲线如图3所示,可以看出,所有双层器件的电流效率都明显优于单层器件。当外加电压V=13.5 V 时,器件A 、B 、C 、D 、E 的 值分别为O.33、1.77、2.29、1.96、2.08 cd/A ,这说明双层器件的电流效率η是单层器件的5~6倍。

  另外由图可见,η的总变化趋势是先随V增加而迅速增大,当V增到一定程度时,η达到最大值,随后η便随V增加而逐渐减小。器件A 、B 、C 、D 、E的最大电流效率ηmax分别为0.39、1.77、2.42、1.99 、2.1l c,d/A ,其中器件A 的ηmax最小,C的最大。空穴传输层PVK厚度对器件ηmax影响的曲线如图4所示。

  图3 不同厚度空穴传输层器件的η-V曲线

  图4 空穴传输层PVK厚度对器件ηmax影响的曲线

  表1比较了各器件的主要性能指标,可以看出,一方面双层器件的性能明显优于单层器件,另一方面空穴传输层的厚度对OLED器件的光电性能具有显著影响。综合而言,器件C 的性能最好,它具有最低的启亮电压、最高的发光亮度和发光效率。

  表1各器件的性能参数比较

  对于双极注入OLED器件,其发光强度 正比于电子一空穴对的数目,即有:

  (1)

  式中N和P分别为电子和空穴浓度;ηq为电致发光的效率;r为比例系数。可以看出,N和P的相差越大,发光亮度L越小;N和P越接近时,那么发光亮度L越大:而当N=P 时,发光亮度L达到最大值。根据图5所示的器件能级图可以看出,对于器件ITO/AIq3/Mg:A g/Al,其电子注入势垒为0.5 eV ,而空穴注入势垒为0.9 eV 。因此器件工作时电子和空穴的注入极不平衡,N和P的数值相差较大,由式(1)可知这类器件的光电性能较差。但是,对于器件ITO/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al,当引入PVK空穴传输层后,一方面空穴注入势垒减小(0.7 eV)提高了空穴的注入能力,另一方面在Alq3~PVK 界面形成了一个高的阻挡势垒,有利于将从阴极注入的电子限制在发光层(Alq3)内 而有效地与空穴复合,提高了器件中载流子的复合效率,改善了OLED 的性能,所以这类器件的光电性能明显优于器件ITO/Alq3/Mg:Ag/Al。

  图5 器件的能级结构图

  3 结论

  本文制备了一系列结构为ITO/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al有机发光器件,通过测试和分析器件的光电性能,研究了空穴传输层厚度对OLED 器件性能的影响,优化了器件功能层的厚度匹配。实验结果表明,双层器件的光电性能明显优于单层器件,同时空穴传输层厚度对其光电性能也具有显著的影响。当空穴传输层厚度为1 5nm 时,双层器件有较佳的器件性能,其起亮电压最低,发光亮度和发光效率最高。

 

编辑:Cedar

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