基于熒光材料DPVBi的藍(lán)光有機(jī)電致發(fā)光器件的制備及發(fā)光性能研究

喻葉

【摘 要】我們使用高效熒光藍(lán)光有機(jī)材料DPVBi制作了高效的藍(lán)光有機(jī)發(fā)光器件，結(jié)構(gòu)為ITO/HAT-CN/NPB/DPVBi/Bphen/LiF/Al。通過控制發(fā)光層DPVBi和電子傳輸層材料Bphen的厚度，我們發(fā)現(xiàn)在厚度變化時(shí)，器件效率也隨之變化，說明隨著厚度的改變，調(diào)節(jié)了電子注入，載流子在發(fā)光區(qū)的平衡分布發(fā)生變化，電子與空穴形成激子的復(fù)合發(fā)光實(shí)現(xiàn)可控。當(dāng)發(fā)光層厚度為15nm，電子傳輸層厚度為50nm時(shí)，器件的發(fā)光性能最佳，最大亮度為7127cd/m2，最大電流密度為4.23cd/A。與發(fā)光層厚度為5nm，電子傳輸層厚度為50nm的器件相比，效率提高了35%。該器件在亮度為1000cd/m2時(shí)，電流效率為2.97cd/A，對應(yīng)的色坐標(biāo)為（0.14，0.17），處于色度圖中的藍(lán)光區(qū)。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)電致發(fā)光器件；DPVBi；電子傳輸層；載流子平衡

中圖分類號(hào)： TN383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）08-0028-002

Preparation and Photoluminescence Properties of Blue High-efficiency Organic Light-emitting Diodes Based on DPVBi

YU Ye

（Huaqiao University School of Information Science and Engineering，F(xiàn)ujian Xiamen 360021， China）

【Abstract】We use efficient fluorescent blue organic material DPVBi to prepare a high-efficiency blue organic light-emitting diodes， the structure is ITO/HAT-CN/NPB/DPVBi/Bphen/LiF/Al. By controlling the thickness of electron transporting material Bphen， we discover that with the increase of thickness， the efficiency of our device is improved. This performance indicate that the thick Bphen improved the injection of electrons and the distribution of balanced carriers in emitting zone. The more electrons attract holes to form a lot of excitons， which expand the recombination region. When the thickness of electron transporting layer is 50nm， the photoluminescence property of device is best， the maximum luminance is 7354cd/m2， the max current efficiency is 3.4cd/A. Compared to the device with 35nm electron transporting layer， the efficiency is improved by 26%. The current efficiency is 2.9cd/A at the luminance of 1000cd/m2， the corresponding CIE 1931 chromaticity coordinates is （0.14，0.17）， which locate the blue zone in chromaticity diagram.

【Key words】Organic light-emitting diodes； DPVBi； Electron transporting layer； Balanced carriers

0 引言

有機(jī)電致發(fā)光器件由于具有成本低、可實(shí)現(xiàn)柔性顯示、低功耗、主動(dòng)發(fā)光、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，自CW. Tang十九世紀(jì)七十年代發(fā)表以來，日益受到人們的重視[1]，很有希望成為新一代平板顯示技術(shù)，同時(shí)也被國際上越來越多的研究團(tuán)體和機(jī)構(gòu)看好用作新一代的固態(tài)照明光源和液晶顯示的背光源，目前有機(jī)電致發(fā)光的發(fā)展已經(jīng)開始商業(yè)化生產(chǎn)[2]。為了滿足平板顯示的要求，我們需要解決作為像素點(diǎn)的紅、綠、藍(lán)三基色的單色有機(jī)發(fā)光器件的研制。在三種基色中，藍(lán)光器件的研究最為困難[3-5]。磷光材料中，由于重金屬原子的存在，電子自旋軌道發(fā)生耦合，打破自旋禁阻，發(fā)生單線態(tài)到三線態(tài)的系間竄越，從而三線態(tài)激子可以復(fù)合發(fā)光，理論上可以到達(dá)100%的內(nèi)量子效率，但是磷光材料發(fā)光非常不穩(wěn)定，容易發(fā)生濃度猝滅，效率滾降嚴(yán)重，并且材料制備需要用到重金屬或者稀土元素，對自然環(huán)境不友好。如果選擇藍(lán)光磷光材料，首先磷光材料需要摻雜在母體材料中，以減少濃度猝滅的風(fēng)險(xiǎn)，藍(lán)光由于波長太短，那么藍(lán)光材料禁帶帶隙就很寬[4-8]，為了主客體之間能發(fā)生良好的能量傳遞作用，對母體材料的選擇范圍就狹隘了很多，使器件各個(gè)功能層的能級(jí)排列非常困難。所以我們選擇不需要摻雜母體，并且不會(huì)發(fā)生濃度猝滅，高效率的熒光藍(lán)光有機(jī)材料DPVBi。DPVBi是小分子聯(lián)苯乙烯類衍生物，根據(jù)之前的研究，具有較好的熱穩(wěn)定性，不會(huì)與空穴傳輸材料形成激基復(fù)合物，其通過蒸鍍形成的薄膜光滑平整[9-10]，且無針孔，是一種非常適合制作高效有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光材料。

1 實(shí)驗(yàn)

將完整無損的ITO（銦錫氧化物）玻璃基片浸入濃度為5%的Decon 90溶液，在熱水中用超聲波清洗機(jī)清洗十分鐘，用去離子水清洗兩次后放入無水乙醇反復(fù)沖洗干凈，放在烘箱內(nèi)烘干。將處理后的基片送入LN-1103SC多源氣相沉積系統(tǒng)進(jìn)行鍍膜。蒸鍍過程中蒸鍍室內(nèi)真空度始終保持在5.0×10-4Pa以下以保證鍍膜的平整性，盡量不要有針孔。生長薄膜時(shí)使用石英晶體膜厚監(jiān)控儀來觀察蒸鍍的速率和厚度。器件的電致發(fā)光光譜、電壓、電流、亮度等測量使用的儀器分別是光纖光譜儀、亮度計(jì)和程控電源，測量工作在充滿氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中我們選擇DPVBi為藍(lán)光熒光材料，HAT-CN為空穴注入層，NPB為空穴傳輸層， Bphen為電子傳輸層，LiF作為電子注入層，陰極選用金屬材料Al。

2 結(jié)果與討論

首先我們進(jìn)行第一組實(shí)驗(yàn)，保持DPVBi和Bphen總厚度保持不變，調(diào)節(jié)DPVBi為5nm，10nm，15nm和20nm，Bphen的厚度為60nm，55nm，50nm和45nm器件結(jié)構(gòu)為ITO/HAT-CN/NPB/DPVBi（dnm）/Bphen（65-dnm）/LiF/Al，d=5，10，15，20。圖1為器件的電致發(fā)光歸一化光譜圖 ，可以看到，在器件結(jié)構(gòu)相同的基礎(chǔ)上，當(dāng)藍(lán)光發(fā)光層和電子傳輸層厚度變化時(shí)，光譜沒有變化，保持穩(wěn)定，光譜峰值在447nm處，為藍(lán)色的輻射發(fā)光。

表1為該組器件的測試結(jié)果，效率在藍(lán)光層15nm，電子傳輸層50nm時(shí)，器件性能最好，最大電流效率為4.23cd/A，在亮度為1000cd/m2時(shí)，效率為2.97cd/A。說明了在這個(gè)厚度比例下，空穴注入到發(fā)光層，電子經(jīng)電子傳輸層注入到發(fā)光層，此時(shí)電子和空穴的數(shù)量配比最為平衡，沒有很多多余堆積的載流子，所以有效形成了大量穩(wěn)定的單線態(tài)激子，激子在藍(lán)光層中復(fù)合，輻射出光子，電子躍遷回基態(tài)。但是可以看到雖然此時(shí)效率最好，但是發(fā)光亮度并不是最高，最高的發(fā)光亮度7127cd/m2發(fā)生在當(dāng)藍(lán)光層為20nm，電子傳輸層為45nm時(shí)，由此我們認(rèn)為藍(lán)光層越厚，電子傳輸層越薄，亮度越大，亮度與效率之間并沒有佷直接的聯(lián)系。

為了最終研究電子傳輸層的厚度對于藍(lán)光器件性能的影響，我們在第一組器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了第二組器件，器件結(jié)構(gòu)為ITO/HAT-CN/NPB/DPVBi（15nm）/Bphen（dnm）/LiF/Al，其中d=50，45，40，35。圖2為第二組器件的電致發(fā)光歸一化光譜，可以看到，在器件結(jié)構(gòu)相同的基礎(chǔ)上，隨著電子傳輸層厚度的減小，光譜發(fā)生了藍(lán)移，發(fā)光峰值從447nm移動(dòng)到了440nm。我們經(jīng)過計(jì)算分析認(rèn)為該現(xiàn)象是由于電子傳輸層厚度的減小，器件總厚度發(fā)生改變，那么光線在器件內(nèi)傳播的光學(xué)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致光譜峰值發(fā)生有規(guī)律的變化，但是光譜形狀未變，可以認(rèn)為器件中激子只有在DPVBi一種材料內(nèi)發(fā)生復(fù)合。

從表2 內(nèi)可以看到，依然是當(dāng)藍(lán)光層為15nm，電子傳輸層50nm時(shí)，器件的性能最好，最大電流效率為3.48cd/A，在亮度為1000cd/m2時(shí)，效率為2.90cd/A。說明在這個(gè)厚度設(shè)計(jì)下，由器件兩端注入傳輸?shù)桨l(fā)光層中的載流子最為平衡，激子復(fù)合發(fā)光比較充分，載流子利用率高，從而器件效率高。與第一組器件不同的是，最高亮度隨著電子傳輸層厚度的減小先增加后減小，當(dāng)藍(lán)光層15nm，電子傳輸層45nm時(shí)，亮度最高，為7121cd/m2，由此我們認(rèn)為并不是電子傳輸層越薄越好，因?yàn)槿绻娮觽鬏攲犹。M(jìn)入發(fā)光層的電子會(huì)增加，打破與空穴間的平衡，減少了激子形成的數(shù)目，從而造成輻射光子的減少。

3 結(jié)論

在器件結(jié)構(gòu)為ITO/HAT-CN/NPB/DPVBi/Bphen/LiF/Al的實(shí)驗(yàn)中，改變發(fā)光層DPVBi和電子傳輸層的厚度，調(diào)節(jié)發(fā)光層內(nèi)載流子平衡，從而控制激子的產(chǎn)生與復(fù)合，直接影響了器件的效率與亮度，制備了高效率，高亮度的藍(lán)光高效有機(jī)電致發(fā)光器件。藍(lán)光層15nm，電子傳輸層50nm時(shí)，器件最大電流效率為4.23cd/A，與發(fā)光層厚度為5nm，電子傳輸層厚度為50nm的器件相比，效率提高了35%。最高的發(fā)光亮度為7127cd/m2，色坐標(biāo)穩(wěn)定在（0.14，0.17）。器件性能的提高我們認(rèn)為包括以下兩個(gè)方面因素：（1）在這個(gè)厚度比例下，空穴注入到發(fā)光層與電子相互吸引，此時(shí)電子和空穴的數(shù)量配比最為平衡，沒有大量多余堆積的載流子，有效形成了大量穩(wěn)定的單線態(tài)激子。（2）電子傳輸層厚度決定了注入到發(fā)光層中電子的多少，對于器件中載流子的平衡起著決定性的作用，因此對于器件的性能和發(fā)光特性影響最大。

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