氟化釔電子注入層對OLED器件性能的影響

張 鐳,鄭宣明,林 杰,劉星元*

(1.發光學及應用國家重點實驗室中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

氟化釔電子注入層對OLED器件性能的影響

張 鐳1,2,鄭宣明1,林 杰1,劉星元1*

(1.發光學及應用國家重點實驗室中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

利用氟化釔(YF3)代替LiF作為電子注入層材料,以金屬鋁作為陰極,制備了有機電致發光器件(OLED)。實驗結果表明:適當厚度的YF3電子注入緩沖層可以增強陰極的電子注入能力,使得電子和空穴的濃度更加平衡,有效地提高器件的電致發光性能。其中,1.2 nm厚YF3的器件具有最小的起亮電壓2.6 V,最高的電流效率8.52 cd·A-1,最大的亮度36 530 cd·m-2。最大亮度和電流效率與LiF參考樣品相比,分別提高了39%和53%。

有機電致發光器件;氟化釔;電子注入層

1 引 言

有機電致發光器件(OLED)作為一種面發光器件,發射光譜可以覆蓋從近紫外一直到近紅外光譜區域,具有低壓直流驅動、響應速度快、可視角度大、可柔性彎曲等特點。自Tang CW等在1987年發現雙層結構可以大幅提高器件的發光效率以來,OLED技術發展迅速,性能不斷改進[1-7]。近年來,OLED在顯示領域已經進入了產業化階段,面向白光照明等其他應用領域的研究也在不斷深入[8-10]。作為電注入器件,OLED中的載流子是從電極注入的,當電極的功函數與相鄰有機層的能級相匹配時,載流子的注入效率較高。兩種載流子的平衡注入和傳輸是獲得高性能OLED的前提[11-12]。有機電子傳輸材料種類較少,而且常用的穩定的金屬陰極鋁與有機電子傳輸層之間存在一定的電子注入勢壘,影響了電子的注入效率。目前最常見的解決方法是在電極與有機層界面間加入一層超薄緩沖層以降低界面的注入勢壘,增強載流子的注入[13-16]。例如在陰極Al電極和有機層之間加入一層0.5～1 nm的LiF,OLED器件的性能可大幅度提升。然而,LiF在一些有機薄膜上的成膜性能并不好,熱蒸發制備的LiF薄膜會帶有一定的顏色。

隨著新型有機發光材料的不斷涌現,為了進一步提高器件的性能,人們對界面層材料的選擇和界面能級的調控有了更高的要求[14-16]。氟化釔(YF3)作為一種晶體材料,在光學領域有廣泛的應用。該材料可以通過熱蒸發成膜,而且蒸發速率非常穩定,透明度好。本文將YF3引入到OLED中,研究了其作為電子注入層的性能,并和LiF注入層的同類器件進行了對比。結果表明, YF3對陰極界面有很好的修飾作用,可以明顯提高OLED器件的性能。

2 實 驗

OLED器件的結構為 Glass/ITO/NPB/Alq3/ YF3(or LiF)/Al。器件的陽極采用的是商品化的ITO玻璃,面電阻約為20Ω/□。在器件制備前需要對ITO陽極進行嚴格的清洗,經過80℃恒溫水浴15 min,并分別在丙酮、乙醇和去離子水中超聲10 min,然后在紅外烘烤燈下使其充分干燥,置于預處理室中。當預處理室真空度高于5×10-4Pa時,對基片進行O2等離子體預處理4 min,處理強度約為50 mW·cm-2,然后傳送到蒸鍍室內。本文采用NPB作為空穴傳輸層(HTL)材料, Alq3為發光層(EML)和電子傳輸層(ETL)材料, Al為陰極,不同厚度(0.3,0.5,1.0,1.2,1.5 nm) 的YF3和1.0 nm的LiF分別作為電子注入層。OLED器件的有效發光面積為2 mm×2 mm。有機層和金屬陰極采用真空熱蒸發技術制備,待真空度高于3×10-4Pa后,按器件結構依次制備各功能層。所有有機層的熱沉積速率為0.1～0.3 nm·s-1,YF3和 LiF的沉積速率為0.05～0.1 nm·s-1,金屬Al的沉積速率為8 nm·s-1。薄膜厚度和沉積速率由石英膜厚儀監控,薄膜的厚度經Ambios XP-1表面輪廓儀校正。所有的有機材料都是通過商業渠道購買的,未經進一步的提純處理。電極的功函數采用開爾文探針測試。OLED器件的電流密度(J)-電壓(V)參數由Keithley 2400數字源表測試。器件的亮度(L)和電致發光(EL)光譜由PR-705光譜掃描色度計測量。OLED器件均未封裝,所有測量均在室溫大氣環境下完成。

3 結果與討論

為了研究YF3電子注入層對OLED性能的影響,我們構造了不同厚度YF3緩沖層器件,器件的EL性能參數見表1。圖1給出了器件的J-V特性曲線。由圖可知,緩沖層厚度對OLED器件的J-V特性有較大影響。在13 V以下,器件的電流都小于1 nm LiF的器件,說明從電子注入的角度來看,LiF的注入效率還是相當高的。Alq3層的最低未占分子軌道(LUMO能級)約為3.0 eV。我們用開爾文探針對帶有1.0 nm LiF緩沖層的Al電極和帶有1.0 nm YF3緩沖層的Al電極的功函數進行了測量,兩者的功函數分別為3.6 eV和4.4 eV。由于功函數測試是在實驗室大氣環境中進行的,因此電極表面的氣體或其他物質的吸附對測試結果有一定的影響,誤差難以避免。從數據上看,1.0 nm YF3緩沖層的Al電極在陰極界面的電子注入勢壘要明顯高于1.0 nm LiF緩沖層的Al電極,這和器件的 J-V特性是相符的。0.5～1.2 nm的YF3器件都可以達到與LiF參考器件相當或更高的最大電流密度。而較厚(1.5 nm)或較薄(0.3 nm)的YF3器件的最大電流密度都偏低一些,難以獲得很高的工作電流,說明電子注入效果較差。尤其是0.3 nm的YF3器件,其起亮電壓最高,最大電流密度最小。1.2 nm的YF3器件具有較好的J-V特性,其起亮電壓(亮度為1 cd/m2的工作電壓)只有2.6 V,與LiF參考器件的起亮電壓相當,如表1所示。OLED器件的J-V特性曲線說明,適當厚度的YF3電子注入緩沖層的加入起到了和LiF緩沖層相似的效果,可以有效地降低OLED器件的工作電壓,提高注入電流。基于OLED器件的隧穿注入機制,可以看出陰極界面的電子注入勢壘高度可以得到有效的調控。圖2給出了基于YF3和LiF緩沖層的OLED 的EL光譜,器件的EL光譜基本一致,來自于Alq3的發光,YF3和LiF緩沖層對其沒有影響。

表1 OLED器件的電致發光特性Table 1 EL properties of OLEDs

圖1 器件的J-V特性曲線Fig.1 J-V characteristics of the devices

圖2 基于YF3和LiF電子緩沖層的OLED的EL光譜Fig.2 EL spectra of OLEDs based on electron buffer layers of YF3and LiF

圖3 器件的ηCE-J特性曲線Fig.3 ηCE-J characteristics of OLEDs

圖3給出了OLED的電流效率(ηCE)-電流密度曲線。可以看出,在Alq3和Al之間插入適當厚度的YF3層可以明顯提高器件的電流效率。對于較薄的YF3層(0.3 nm),器件的電流效率在一定電流密度下與LiF器件接近,但是隨著電流密度的增加,電流效率的衰減非常快。厚度為0.5 nm的YF3器件的電流效率最低,可能的一個原因是該超薄層的器件內部缺陷較多。1.0～1.5 nm YF3器件的電流效率都要高于LiF參考樣品,表明該厚度范圍內的YF3器件不但具有較高的電子注入效率,而且電子和空穴濃度比較平衡,激子的形成效率較高。其中1.2 nm YF3器件具有最高的電流效率8.52 cd/A,高于 LiF器件的5.57 cd/A。相對于LiF參考樣品,1.2 nm YF3器件的最大電流效率提高了53%。這里對電流效率的比較,沒有考慮低電流密度的情況,因為這時候的器件工作電壓較低,起亮電壓附近的發光很弱,亮度的測試誤差相對比較大。圖4給出了器件的亮度-電流密度(L-J)曲線。其中1.2 nm YF3器件不但具有最小的起亮電壓和最高的電流效率,而且其亮度也是所有器件中最高的,比LiF參考樣品提高了39%。這表明1.2 nm YF3可以改善器件的電子注入能力,其內部的載流子濃度更加平衡,激子的形成效率最高。1.5 nm YF3的器件也具有較高的電流效率和亮度,但是高電場下器件的性能老化較快,亮度無法進一步提高。

圖4 器件的L-J特性曲線Fig.4 L-J characteristics of OLEDs

4 結 論

首次采用YF3作為電子注入材料,以鋁為陰極,制備了OLED器件,初步研究了YF3超薄緩沖層的厚度和器件性能的關系。YF3可以降低陰極界面的注入勢壘,增強電子的注入能力。通過YF3厚度的優化,可以有效地降低器件的起亮電壓,同時,可以優化器件內部電子和空穴的濃度平衡,有效地提高器件性能。優化后的YF3器件的亮度、電流效率等性能要高于LiF緩沖層器件的水平。實驗結果表明,YF3是具有較強電子注入效果的一種高性能電子緩沖層材料,可以應用于OLED技術中。

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張鐳(1985-),男,吉林長春人,博士研究生,2008年于長春理工大學獲得學士學位,主要從事有機激光方面的研究。

E-mail:zhanglei-xyz@163.com

劉星元(1970-),男,黑龍江伊春人,研究員,1999年于中科院長春物理所獲得博士學位,主要從事有機激光方面的研究。

E-mail:liuxy@ciomp.ac.cn

《中國光學》征稿啟事

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《中國光學》編輯部

Effect of YF3Electron Injection Layer on The Performance of Organic Light-em itting Devices

ZHANG Lei1,2,ZHENG Xuan-ming1,LIN Jie1,LIU Xing-yuan1*

(1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Insitute ofOptics, Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy ofSciences,Changchun 130033,China; 2.University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
*Corresponding Author,E-mail:liuxy@ciomp.ac.cn

Organic light emitting devices(OLEDs)were fabricated with yttrium fluoride(YF3)as the electron injection layer instead of lithium fluoride(LiF)and aluminum as the cathode.The experiment results show that YF3injection buffer layer with appropriate thickness can effectively enhance the electron injection ability of the cathode,leading to more balanced concentration of electrons and holes,and optimized electroluminescent properties of OLEDs.The device with 1.2 nmthick YF3layer has theminimum turn-on voltage of2.6 V,themaximum current efficiency of 8.52 cd·A-1,and themaximum luminance of 36 530 cd·m-2.Compared with LiF reference sample, themaximum brightness and current efficiency are increased by 39%and 53%,respectively.

organic light-emitting devices;yttrium fluoride;electron injection layer

TN383+.1

:A

10.3788/fgxb20153608.0912

1000-7032(2015)08-0912-05

2015-03-12;

:2015-04-07

國家自然科學基金(51102228)資助項目