鐿銀陰極對頂發射白光OLED器件光電性能的影響研究

楊啟鳴，高思博，王 燦，段良飛，錢福麗，段 謙，張 杰，王光華，魯朝宇，段 瑜

鐿銀陰極對頂發射白光OLED器件光電性能的影響研究

楊啟鳴，高思博，王 燦，段良飛，錢福麗，段 謙，張 杰，王光華，魯朝宇，段 瑜

（云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223）

研制了以鐿銀合金為透明陰極的頂發射白光OLED器件。采用ITO/NPB: LiQ（5%）（10nm）/TCTA（20 nm）/FIrpic＋3.5% Ir(ppy)3＋0.5%Ir(MDQ)2(acac)（25nm）/TPBI（10 nm）/LiF（5 nm）/Yb: Ag (%)（nm）器件結構，在相同鐿銀比例下，蒸鍍不同厚度的鐿銀合金陰極制備了新型頂發射白光OLED器件，獲得了優化的鐿銀合金厚度為12nm；固定鐿銀陰極厚度，蒸鍍不同比例的鐿銀合金陰極制備了新型頂發射白光OLED器件，探究不同比例的鐿銀合金對有機電致發光器件的影響。結果表明，當鐿銀電極的摻雜比例為10:1時，器件的性能最佳，在20mA/cm2電流密度下，器件的驅動電壓為2.3V，亮度為1406cd/m2，色坐標為(0.3407,0.3922)。

Yb:Ag合金；陰極；頂發射白光OLED微型顯示器；光電特性

0 引言

有機電致發光器件（organic light-emitting diodes，OLED）的主要優點是輕薄，低功耗，高效率，高對比度，高色域，以及可以實現大面積多色顯示和柔性顯示等[1-2]。為商業利益所激發，近年來，OLED器件的研發呈現爆炸式增長態勢。同時客戶對OLED產品性能的要求也越來越高，因此，新型OLED器件在可靠性、色度、對比度和發光效率上仍然面臨著解決重大問題的挑戰。

提高OLED的電子注入能力對實現高效率器件非常重要。迄今為止，科研人員為了提高有機電致發光器件的電子注入能力，已經做出了大量的研究工作，多種陰極結構被不斷地研發和設計出來。其中，一些含有低功函數金屬的合金，其電子注入性能十分出色[1]。如Li:Al，Mg:Ag，Mg:Al，Cs:Al等[3]。早在1987年，Kodak公司首次提出雙層結構的器件，使OLED器件驅動電壓大幅降低，使用的就是合金陰極。這也是合金陰極第一次被報道應用于OLED器件中。此外，由于合金的形成，使得器件穩定性得到大幅提高，延長了器件的使用壽命。同時，由于其具有高透光性，在透明有機電致發光器件及頂發光器件中得到廣泛應用[4]。科研人員[5]使用較低功函數金屬電極或金屬復合電極代替Al電極，合成Mg:Ag和Mg:Al 陰極。與純Al電極和Mg:Al相比，Mg:Ag陰極合成的OLED光電性能得到了有序的增強。與金屬鎂相比，金屬鐿Yb（2.6 eV）具有更低的功函數，Yb:Ag合金陰極的功函數與OLED有機結構更加匹配，且能夠減小接觸勢壘，有效改善器件效率[6]。本文以Ag和低功函的Yb共蒸合成Yb:Ag合金陰極，通過優化鐿銀陰極的厚度和摻雜比例，研究其變化對OLED器件性能的影響。

1 實驗部分

1.1 器件制備

頂發射白光OLED微型顯示器件采用Yb:Ag合金作為陰極層，TPBI和LiF為電子層，FIrpic＋3.5%Ir(ppy)3＋0.5%Ir(MDQ)2(acac)為發光層，NPB: LiQ/TCTA為空穴層。通過調控Yb:Ag陰極的厚度和摻雜比例制備了不同的白光OLED微型顯示器件。器件結構及主要有機材料結構圖如圖1所示。

1.2 性能表征

OLED微型顯示器件的電壓、亮度、色坐標和電致發光光譜通過電腦聯控的Keithley 2400電源和Research PR655進行測量。測試時，所有器件均處于暗室條件下。

2 結果與討論

圖2(a)、(b)為不同厚度的Yb:Ag陰極合成的5個OLED器件的電流密度/電壓（-）特性和亮度/電壓（-）特性曲線。可以看出，在電流密度相同的情況下，5個器件的電壓隨電極厚度的增加先減小后增大。電極厚度＜16 nm時，隨著厚度的增加，器件的電壓逐漸減小，當電極厚度＞16nm時，器件的電壓開始增大。原因為適當厚度的陰極層電子注入的能帶勢壘較低，從而所需的電場強度也較低，電子能夠更為有效地注入[7]。在相同電壓下，5個器件的亮度依次為(20nm)＜(16nm)＜(14nm)＜(11nm)＜(12nm)，陰極厚度小于12nm時，電子注入的能力較弱，電子與空穴復合減弱，導致器件發光亮度減小。當陰極厚度大于12nm，器件的透光性隨陰極厚度的增加而減小，導致其發光亮度逐漸下降。圖2(c)為器件在不同厚度的陰極下的電流密度-亮度關系（效率）曲線，當陰極厚度為12nm時，器件的電致發光效率達到最大值，其亮度也達到了最大值，當進一步增加鐿銀陰極的厚度，雖然電子注入能力不斷改善，但頂部發光亮度和發光效率都逐漸下降。原因為隨著鐿銀陰極厚度的逐漸增加，雖然電極的導電能力增強，但是器件增加的光場不足以補償因透光度減小導致的發光損失，因此發光效率開始下降[8]。

圖1 頂發射白光OLED顯示器件結構及有機材料結構

Fig. 1 Configuration of the top emitting white OLED device and molecular structures of the organic materials

圖2 不同厚度的Yb:Ag陰極合成的OLED器件

表1列出了不同Yb:Ag陰極厚度的5個器件測試參數，更為直觀地反映出其變化關系。圖2(d)為5個OLED器件的歸一化光譜，器件的電流密度為20mA/cm2，由圖可知，器件在470nm和490nm附近存在兩個藍光發光峰，在570nm附近存在一個黃光發光峰。其黃光峰峰值隨鐿銀電極厚度增加呈下降趨勢，表明其黃光發光激子復合減弱。結合器件的CIE坐標（圖2(e)）進行分析，隨鐿銀電極厚度增加，器件的CIE坐標逐漸往藍光方向漂移，由11nm的(0.3373,0.3967)漂移到20nm的(0.2812,0.3810)，觀察到的器件發光顏色同樣逐漸變藍，其結果與光譜測試結果一致。陰極厚度過厚，電子注入到電子傳輸層以及遷移到界面層的時間會長一些，此時，在電場作用下，空穴經空穴傳輸層早已躍遷至界面層，因此，激子復合區域向TPBI/LiF界面移動，捕獲的電子發生濃度猝滅，減弱了紅光發光，導致色度變化[9]。

表1 不同Yb:Ag陰極厚度下器件的性能參數

在優化的12 nm鐿銀陰極厚度基礎上，通過改變Ag的摻雜比例進一步探究器件的光電性能，合成了不同鐿銀摻雜比的陰極制備的4個OLED器件。圖3(a)、(b)、(c)顯示器件的電壓-電流密度關系、電壓-亮度關系、電流密度-亮度關系，表2列出了4個器件的測試數據，結果表明，不同的鐿銀摻雜比例對器件-性能影響不大，在相同電壓下，器件的亮度隨銀的摻雜比例增加，呈現先增大后減小的趨勢。可以看到，隨著陰極中銀的摻雜比由8%增大到20%，8%的鐿銀陰極器件具有最高的發光強度，20%的器件表現最低。這是由于不同摻雜率的鐿銀陰極具有不同的費米能級，因此，電子從陰極注入到有機層的數量不等[10]。根據實驗結果，摻雜比例為10%的陰極，載流子數量較多，在相同電壓下，復合幾率更多，從而發光效率較高，色度較為純正，能量轉移較為平衡。圖3(d)為4個OLED器件的歸一化光譜，由圖可知，不同摻雜比下器件的EL譜峰波動較小，發光峰位置沒有改變，隨摻雜比例的增加，黃光發光峰（570nm）強度逐漸減小，在8%摻雜的器件中展現出最高的強度。圖3(e)為4個器件的CIE坐標，隨著銀的摻雜比例增加，器件的CIE坐標逐漸往藍光方向漂移，由8%的(0.3426, 0.3940)漂移到20%的(0.3260, 0.3850)，主要由于銀對近紅外光有吸收作用[11]，隨著銀的摻雜比例增加，器件的黃光峰被削弱。

Fig 3 Different doping ratios of Mg:Ag cathode synthesis of OLED devices

表2 不同Yb:Ag摻雜比例的器件性能參數

3 結論

本文以頂發射白色發光層為基礎，以鐿銀合金為陰極，通過改變鐿銀陰極的厚度和摻雜比例，研究其變化對頂發射白光OLED器件性能的影響，結果表明，當鐿銀合金陰極的厚度為12nm，摻雜比例為10:1時，器件的性能最優，在20mA/cm2電流密度下，驅動電壓為2.3V，亮度為1406cd/m2，色坐標為(0.3407,0.3922)。并且，隨著鐿銀電極厚度的同比例增加和銀摻雜比例的增加，器件的色坐標都往藍光方向偏移。

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Study on the Effects of Yb:Ag Alloy Cathode on the Photoelectric Performance of the Top Emitting White Organic Light-emitting Devices

YANG Qiming，GAO Sibo，WANG Can，DUAN Liangfei，QIAN Fuli，DUAN Qian，ZHANG Jie，WANG Guanghua，LU Chaoyu，DUAN Yu

(,650223,)

Top-emitting white organic light-emitting diode(OLED) devices with a Mg:Ag alloy as a transparent cathode were fabricated. Based on the device structure of ITO/NPB: LiQ(5%) (10nm)/TCTA(20 nm)/ FIrpic+3.5% Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac) (25nm)/TPBI(10 nm)/LiF(5 nm)/Yb: Ag (%) (nm), the top-emitting white OLED devices were prepared by using Yb:Ag alloy of different thickness as the cathode at the evaporation ratio of 10:1, the optimum thickness of Yb: Ag cathode was12nm by contrasting. The effect of different proportions of Yb:Ag alloy on OLEDs was investigated by changing the doping ratio of Ag. Based on the preliminary results, the alloy with a Ag mass fraction of 10% exhibits good electron injection characteristics, which can effectively improve the light-emitting characteristics of the device. When the current density was 20mA/cm2, the driving voltage was 2.3V, the brightness was 1406cd/m2, and the color coordinates were close to (0.3407, 0.3922).

Yb: Ag alloy, cathode, top emitting white OLED, photoelectric property

TN312.8

A

1001-8891(2021)12-1207-05

2021-07-09；

2021-08-20.

楊啟鳴（1990-），男，云南臨滄人，碩士，工程師，主要從事OLED器件開發。E-mail：yangqiming@oleid.com。

段瑜（1981-），女，云南曲靖人，碩士，研究員級高級工程師，主要從事OLED器件開發。E-mail：duanyu@oleid.com。

國家自然科學基金項目（61604064），云南省應用基礎研究面上項目（2016FB112），云南省技術創新人才培養項目（202105AD160057）。