不同發光染料的頂發射有機電致發光器件的研制

陳星明，胡勝坤，金　玉，吳志軍

(華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門　361021)

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不同發光染料的頂發射有機電致發光器件的研制

陳星明，胡勝坤，金玉，吳志軍*

(華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021)

通過設計合理的微腔結構，制備了基于綠光染料C545t、黃光染料Rubrene、紅光染料DCJTB的3種頂發射有機電致發光器件。研究了不同發光染料對頂發射器件的光譜的影響。研究表明，微腔結構對光譜具有窄化作用。綠光、黃光器件的發光峰波長并未隨視角增大而明顯變化，體現出良好的光譜角度性，而紅光器件卻出現了明顯的光譜藍移現象。綠光器件的最大功率效率為8.7 lm/W，當電流密度為45 mA/cm2時，亮度能達到7 205 cd/m2；黃光器件的電流效率最大值為11.5 cd/A，當電流密度為48 mA/cm2時，亮度可達到3 770 cd/m2；紅光器件的電流效率最大能達到3.54 cd/A，當電流密度為50 mA/cm2時，可獲得1 358 cd/m2的亮度。采用合適的發光材料以及合適的器件結構，不僅可以提高頂發射器件的色純度及發光效率，還可以改善器件發光光譜的角度依賴性。

頂發射有機電致發光器件；發光染料；微腔；光譜

*Corresponding Author,E-mail:quantumoed@126.com

1　引　　言

有機電致發光器件(Organic light emitting device，OLED)具有面發光、厚度薄、響應時間短、可制成柔性顯示屏等優點，眾多公司及科研院校投入了大量人力和財力對其進行研究，并取得了一系列成果[1-6]。通常的OLED是由多層的有機層夾在高功函數的陽極和低功函數的陰極之間形成的。在外界電壓驅動下，空穴和電子克服界面能障，分別由陽極和陰極注入，進入空穴傳輸層(Hole transporting layer，HTL)的HOMO能階和電子傳輸層(Electron transporting layer，ETL)的LUMO能階，并在發光區中結合產生激子,激子以輻射的方式回到基態形成發光。OLED按照出光方向不同分為底發射器件和頂發射器件。傳統的底發射有機電致發光器件由于光從襯底一側射出，材料發出的光經光波導模式大部分在玻璃基底和器件內損失或者從器件邊緣發出，極大地影響了器件的效率[7]。與傳統的底發射器件不同，引入微腔結構的頂發射有機電致發光器件(Top-emitting organic light emitting device，TEOLED)不僅能有效提高器件發光強度[8]、發光效率[9]、色純度[10]等，同時對于主流的有源矩陣(Active matrix)顯示技術來說，由于頂發射結構光從頂電極一側射出，將像素的驅動電路制作在襯底上就不會存在驅動電路和器件發光面積相互競爭的問題，可顯著提高像素的開口率[11]，所以對頂發射器件的研究具有重要的意義。

目前人們主要針對頂發射器件的結構對其光學性能的影響進行研究，如Li等[12]設計了高透射率的電極以提高頂發射器件的性能，Xie等[13]研究了不同厚度的陰極對器件光學性能的影響，Chen等[14]用BCP作為光輸出耦合層制備了高性能的TEOLED。除了器件的結構以外，有機發光材料本身的發光特性也會對頂發射器件的光學性能產生影響，特別是頂發射器件的角度依賴性，即隨觀測角的不同，頂發射器件的電致發光強度、峰值波長等發生變化，這使得頂發射器件在應用于顯示時存在視角問題[15]。本文通過設計合理的微腔結構，制備了基于綠光熒光染料C545t、黃光熒光染料Rubrene、紅光熒光染料DCJTB的頂發射器件，研究了不同發光特性的發光染料對頂發射器件光譜角度性的影響。結果表明，使用發光光譜較寬的發光染料可以改善頂發射器件發光光譜的角度依賴性。

2　實　　驗

本實驗以綠光熒光染料C545t、黃光熒光染料Rubrene、紅光熒光染料DCJTB分別作為發光層，制備的三種器件結構如下所示：

器件A：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/C545t∶Alq3(0.5%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件B：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/Rubrene∶Alq3(5%,30 nm)/Alq3(35 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件C：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(58 nm)/NPB(5 nm)/DCJTB∶Alq3(1%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

將已徹底清洗過的玻璃片放置于LN-1103SA多源氣相沉積系統中，熱蒸鍍70 nm厚的金屬Ag作為陽極，然后對Ag表面進行紫外照射處理，處理時間為2 min。這樣可在Ag的表面生長一層超薄的Ag2O以利于空穴的注入[16]。處理后，再按照器件的結構依次熱蒸鍍相應的材料。蒸鍍過程中，系統真空度始終保持在2.0×10-4Pa。有機材料的蒸鍍速率為0.08 nm/s，LiF蒸鍍速率為0.003 nm/s，金屬Al及Ag蒸鍍速率為0.3 nm/s。OLED有效發光面積為3 mm×3 mm。器件的電致發光光譜、電壓、亮度、電流密度、效率等是由MAYA2000PRO光纖光譜儀、keithley 2400程控電源以及LS-110亮度計組成的測試系統同時進行測量獲得。所有測量都是在室溫大氣中進行。

3　結果與討論

在頂發射微腔器件中，根據經典光學理論我們可以用式(1)來計算正向的發光光譜[17]：

(1)

其中：λ是波長，x是激子到全反射電極的距離，R1和R2分別是全反射電極與半反射電極的反射率，L 是整個微腔器件的光學長度，En(λ)是有機發光材料在自由空間的發光光譜。

假設微腔內的發光物質在自由空間的發光光譜強度為1，所得到的器件光譜稱為腔發射譜(Cavity emission)，由腔發射譜可以得到器件的共振波長，這對頂發射器件的設計有著很好的指導作用。我們首先計算了頂發射器件A、B、C的腔發射譜，如圖1所示，其腔發射譜的發光峰中心波長分別為516，560，636 nm，這說明器件A、B、C的共振波長為516，560，636 nm。從圖2中可以看出，相同結構的底發射器件的發光峰中心波長也在這些數值附近，說明我們設計的頂發射器件光強能在這些峰值處實現增益，從而有效提高了器件的發光效率，表明所設計的頂發射器件的結構是合理的，實驗的結果也證明了我們計算的準確性。光譜稍許的差別是由于器件實際的厚度與計算模擬時采用的厚度存在細微差異。

圖1器件A、B、C的微腔發射譜。

Fig.1Cavity emission of device A,B,C,respectively.

從圖2中還可以看出，由于微腔效應，頂發射器件的光譜半高寬明顯小于底發射器件的光譜半高寬。圖3分別比較了不同視角(0°和60°)下，器件A、B、C實驗測得的光譜。由微腔理論可知，頂發射器件雖然可以有效提高器件的發光效率以及色純度，但是也會使器件的發光峰隨著視角的增大而藍移[18]。隨著視角從0°增大到60°，器件A的發光峰僅藍移了4 nm，器件B與器件A類似，都體現出良好的光譜角度性。但是對于器件C，當視角為0°時，器件的發光峰在636 nm；當視角為60°時，發光峰在608 nm，發光波長向短波方向移動了28 nm。與器件A和B不同，對于用DCJTB發光染料制備的頂發射器件C，其共振波長隨著視角的增大而明顯藍移。器件A和B的發光波長隨視角的變化較小，主要是由于C545t以及Rubrene發光染料自身的發光峰較窄所致，也有相關文獻報道過此類現象[19]。表1列出了不同發光染料的光譜半高寬，其中C545t和Rubrene的光譜半高寬均小于DCJTB。雖然器件C的結構與器件A、B相似，并且共振波長在636 nm處，器件效率得到提高，但是DCJTB本身的電致發光光譜較寬，這會顯著影響到器件C的光譜的穩定性。

圖2頂發射器件(計算模擬和實驗測量)和底發射器件在0°視角下的發光光譜。(a) 器件A；(b) 器件B；(c) 器件C。

Fig.2Spectra of TEOLED (calculated and measured)and BEOLED at 0°.(a) Device A.(b) Device B.(c) Device C.

表1不同發光染料的光譜半高寬

Tab.1Spectral full width at half maxium of different luminescent dyes

發光染料光譜半高寬/nmC545t57Rubrene77DCJTB87

圖3　器件A、B、C在0°以及60°視角下的發光光譜。

Fig.3Spectra of device A,B and C at viewing angles of 0° and 60°.

表2為器件A的光電性能參數。在4.9 V的驅動電壓下，器件達到最大功率效率8.7 lm/W；當電流密度為45 mA/cm2時，亮度能達到7 205 cd/m2。

表2　器件A的性能參數

表3為器件B的光電性能參數。在48 mA/cm2的電流密度下，器件B的亮度可達到3 770 cd/m2；在11 V的驅動電壓下，電流效率達到最大值11.5 cd/A。

表4為器件C的光電性能參數。當電壓為7.0 V時，器件的最大電流效率達到3.54 cd/A；電流密度為50 mA/cm2時，即可獲得1 358 cd/m2的亮度。

表3　器件B的性能參數

表4　器件C的性能參數

4　結　　論

實驗制備了基于C545t、Rubrene、DCJTB 3種發光染料的頂發射有機電致發光器件，研究了不同發光染料對TEOLED光譜的影響。隨著視角從0°增大到60°，綠光C545t器件的發光峰僅藍移了4 nm，黃光Rubrene器件的發光峰值也未隨角度增大而明顯變化，而紅光DCJTB器件的發光峰卻向短波方向移動了28 nm，出現明顯的藍移現象。研究結果表明，采用合適的發光材料以及合適的器件結構，不僅可以提高Top-OLED的色純度及發光效率，還可以改善器件發光光譜的穩定性。

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陳星明(1989-)，男，福建福州人，碩士研究生，2013年于華僑大學獲得學士學位，主要從事有機電致發光器件的研究。

E-mail：chenxm8911@163.com

吳志軍(1977-)，男，福建泉州人，博士，副教授，2006于吉林大學獲得博士學位，主要從事有機電致發光器件、有機光伏器件及有機薄膜晶體管的研究。

E-mail：quantumoed@126.com

Top-emitting Organic Light-emitting Devices with Different Luminescent Dyes

CHEN Xing-ming，HU Sheng-kun，JIN Yu，WU Zhi-jun*

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

Three kinds of top-OLEDs with fluorescent dyes-green C545t,yellow Rubrene and red DCJTB were fabricated by reasonable design of microcavity structure,and the corresponding optical properties were also studied.The results show that the spectrum of OLEDs can be narrowed by micro-cavity effect.With the increasing of the viewing angle,the spectral peak of green C545t and yellow Rubrene devices don’t change significantly and exhibit independence of the viewing angle,however,an obvious blue shift of red DCJTB device can be observed.The maximum power efficiency of green device is 8.7 lm/W,and the brightness is 7 205 cd/m2with the current density of 45 mA/cm2.The maximum current efficiency of yellow device is 11.5 cd/A,and the brightness is 3 770 cd/m2with the current density of 48 mA/cm2.The maximum current efficiency of red device is 3.54 cd/A,and the brightness is 1 358 cd/m2with the current density of 50 mA/cm2.Not only the chroma and luminous efficiency but also the angle-independence of the top-OLED can be improved by the use of appropriate luminescent material and suitable device structure.

top-emitting organic light-emitting devices；luminescent dyes；microcavity；spectra

1000-7032(2016)04-0446-06

2015-12-03；

2015-12-25

國家自然科學基金(61404053)；華僑大學中央基本業務費(國家基金培育計劃JB-ZR1143)資助項目

TN383+.1；TN312+.8

A

10.3788/fgxb20163704.0446