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空穴傳輸層厚度對OLED性能的影響

作者: 時間:2011-06-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
從1987年文獻(xiàn)[1]首次采用芳香二胺類衍生物為傳輸材料,以8-羥基喹啉鋁(Alq3)為發(fā)光層材料,制備出高效率、高亮度和低驅(qū)動電壓的有機(jī)發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode,)以來,由于其功耗低、亮度高、視角寬、響應(yīng)速度快等諸多特點(diǎn)而受到了極大的關(guān)注,有機(jī)電致發(fā)光(Emissive Layer,EL)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)光顯示領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。人們從發(fā)光材料、制備工藝,到發(fā)光機(jī)理、器件結(jié)構(gòu)等各個方面進(jìn)行了大量的研究工作,器件的光電性能得到了明顯提高,但是器件的發(fā)光效率和亮度等因素仍然是阻礙Oled商業(yè)化的瓶頸之一。

  為了改善發(fā)光器件的光電性能,本文采用聚乙烯基咔唑(PVK)作為傳輸材料,Alq3作為電致發(fā)光/電子傳輸材料,制備了結(jié)構(gòu)為氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al的器件,研究了傳輸層厚度對器件光電性能的影響,優(yōu)化了器件功能層的厚度匹配,獲得了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的器件。

  1 實(shí) 驗(yàn)

  1.1 材料

  實(shí)驗(yàn)選用ITO導(dǎo)電玻璃(15 Ω/□)作為OLED器件的陽極材料,高純度金屬鎂(99.9%)、銀(99.9%)和鋁(99.999%)作為器件的陰極材料,PVK作為器件的空穴傳輸層材料,Alq3作為器件的發(fā)光層兼電子傳輸層材料。這些有機(jī)材料均購自美國Aldirch公司,其分子結(jié)構(gòu)式可參見文獻(xiàn)[1-3]。

  1.2 ITO基片表面處理

  制備OLED器件前,ITO基片采用洗滌劑、丙酮溶液、NaOH溶液、乙醇溶液,及去離子水超聲各清洗20min,然后利用高純氮?dú)獯蹈?,置于OLED-V型有機(jī)多功能成膜設(shè)備的預(yù)處理室中,在250 V電壓下進(jìn)行氧氣等離子體處理約30 min。

  1.3 OLED器件制備

  將不同濃度(2、3、6、9 mg/ml)的PVK/氯仿溶液,用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速(時間為60 s)旋涂成膜于清潔的ITO基片上,得到不同厚度(4、15、30、60 nm)的PVK薄膜。對于旋涂獲得的所有PVK薄膜在真空條件下烘烤大約30 min,以去除薄膜中的殘留溶劑。最后在真空度為10?4 Pa時,采用熱蒸發(fā)方式依次沉積有機(jī)層Alq3、合金陰極層Mg:Ag(10:1)及金屬層Al。合金Mg:Ag利用雙源共蒸技術(shù)制備而獲得,蒸發(fā)速率和膜厚通過石英晶體振蕩器監(jiān)控。有機(jī)層和金屬層的蒸發(fā)速率分別為0.2~0.4 nm/s和2~4nm/s,各功能層的厚度及所制作的OLED器件結(jié)構(gòu)為ITO/PVK(0~60 nm)/Alq3(60 nm)/Mg:Ag(100 nm)/Al(150 nm)。

  1.4 OLED器件性能測試

  在大氣和室溫(25°C)條件下,利用KEITHLEY-4200半導(dǎo)體測試儀、ST-86LA屏幕亮度計(jì)和OPT-2000光譜光度計(jì),分別對所有未封裝的OLED器件的電壓、電流、亮度和光譜進(jìn)行測試。

 2 結(jié)果和討論

  2.1 空穴傳輸層厚度對器件電流?電壓特性的影響

  圖1為不同厚度空穴傳輸層器件的電流?電壓(J-V)特性曲線,圖中字母A代表單層器件,字母B、C、D、E分別代表PVK厚度為4、15、30、60 nm的OLED器件。由圖1可知,所有器件的電流密度隨驅(qū)動電壓的增大都呈現(xiàn)出平穩(wěn)的增加,電流密度并不是隨著空穴傳輸層PVK厚度的增加而單調(diào)減小。當(dāng)正向偏壓小于8 V時,外加電壓增大,電流密度的變化并不明顯;當(dāng)外加電壓增大到一定程度時,電流才迅速增加。當(dāng)V =15 V時,器件A、B、C、D、E的電流密度J分別為7.2、31.0、30.3、22.7、24.6mA/cm2。在相同電壓V時,通過器件的電流密度J的大小關(guān)系為B>C>E>D>A。由于PVK是一種性能優(yōu)良的空穴傳輸材料,它的引入有效提高了OLED器件中載流子的復(fù)合,使雙層器件的電流密度明顯大于單層器件。同時,對于雙層OLED雖然空穴傳輸層PVK的引入,有助于提高器件中的載流子復(fù)合,但PVK厚度的增加,加大了器件的串聯(lián)電阻。因此,只有當(dāng)PVK的厚度合適時,器件的電流密度最大。

不同厚度空穴傳輸層器件的J-V曲線

圖1:不同厚度空穴傳輸層器件的J-V曲線

  2.2 空穴傳輸層厚度對器件L-V特性的影響

  圖2為所有OLED器件的L-V特性曲線,很顯然,空穴傳輸層厚度明顯影響器件的啟亮電壓和發(fā)光亮度。由圖可以看出,器件A、B、C、D、E的啟亮電壓分別為7.2、4.5、4.4、4.7、4.6 V,其中器件C的啟亮電壓最小,而器件A的啟亮電壓最大。當(dāng)正向偏壓小于8 V時,器件的發(fā)光亮度L隨外加電壓V的變化不顯著;當(dāng)外加電壓V大于8 V時,器件C、D的發(fā)光亮度L隨V增大而迅速增強(qiáng),但器件A的發(fā)光亮度變化不夠明顯。當(dāng)外加電壓V相同時,器件的發(fā)光亮度L存在較大的差別,如當(dāng)V =15 V時,器件A、B、C、D、E的發(fā)光亮度L依次為75.7、1 805.4、2 408.1、1 503.8、1 722.6 cd/m2,相同電壓時OLED發(fā)光亮度的大小依次為C>B>E>D>A。容易發(fā)現(xiàn):器件C具有最高的發(fā)光亮度,當(dāng)V =20 V時,L的值接近5557.5 cd/m2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的OLED器件。

不同厚度空穴傳輸層器件的L-V曲線

圖2:不同厚度空穴傳輸層器件的L-V曲線

2.3 空穴傳輸層厚度對器件η-V特性的影響

  不同厚度空穴傳輸層器件的η-V特性曲線如圖3所示,可以看出,所有雙層器件的電流效率η都明顯優(yōu)于單層器件。當(dāng)外加電壓V =13.5 V時,器件A、B、C、D、E的η值分別為0.33、1.77、2.29、1.96、2.08 cd/A,這說明雙層器件的電流效率η是單層器件的5~6倍。

  另外由圖可見,η的總變化趨勢是先隨V增加而迅速增大,當(dāng)V增加到一定程度時,η達(dá)到最大值,隨后η便隨V增加而逐漸減小。器件A、B、C、D、E的最大電流效率ηmax分別為0.39、1.77、2.42、1.99、2.11 cd/A,其中器件A的ηmax最小,C的最大??昭▊鬏攲覲VK厚度對器件ηmax影響的曲線如圖4所示。

不同厚度空穴傳輸層器件的η-V曲線

圖3:不同厚度空穴傳輸層器件的η-V曲線

空穴傳輸層PVK厚度對器件ηmax影響的曲線

圖4:空穴傳輸層PVK厚度對器件ηmax影響的曲線

表1比較了各器件的主要性能指標(biāo),可以看出,一方面雙層器件的性能明顯優(yōu)于單層器件,另一方面空穴傳輸層的厚度對OLED器件的光電性能具有顯著影響。綜合而言,器件C的性能最好,它具有最低的啟亮電壓、最高的發(fā)光亮度和發(fā)光效率。

各器件的性能參數(shù)比較

表1:各器件的性能參數(shù)比較(點(diǎn)擊圖片放大)

  對于雙極注入OLED器件,其發(fā)光強(qiáng)度L正比于電子?空穴對的數(shù)目,即有:

空穴傳輸層厚度對OLED性能的影響

  式中 N和P分別為電子和空穴濃度;qη為電致發(fā)光的效率;r為比例系數(shù)??梢钥闯?,N和P的相差越大,發(fā)光亮度L越小;N和P越接近時,那么發(fā)光亮度L越大;而當(dāng)N=P時,發(fā)光亮度L達(dá)到最大值。根據(jù)圖5所示的器件能級圖可以看出[4-10],對于器件ITO/Alq3/Mg:Ag/Al,其電子注入勢壘為0.5 eV,而空穴注入勢壘為0.9 eV。因此器件工作時電子和空穴的注入極不平衡,N和P的數(shù)值相差較大,由式(1)可知這類器件的光電性能較差。但是,對于器件ITO/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al,當(dāng)引入PVK空穴傳輸層后,一方面空穴注入勢壘減小(0.7 eV)提高了空穴的注入能力,另一方面在Alq3/PVK界面形成了一個高的阻擋勢壘,有利于將從陰極注入的電子限制在發(fā)光層(Alq3)內(nèi)而有效地與空穴復(fù)合,提高了器件中載流子的復(fù)合效率,改善了OLED的性能,所以這類器件的光電性能明顯優(yōu)于器件ITO/Alq3/Mg:Ag/Al。

器件的能級結(jié)構(gòu)圖

圖5:器件的能級結(jié)構(gòu)圖

  3、結(jié) 論

  本文制備了一系列結(jié)構(gòu)為ITO/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al的有機(jī)發(fā)光器件,通過測試和分析器件的光電性能,研究了空穴傳輸層厚度對OLED器件性能的影響,優(yōu)化了器件功能層的厚度匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雙層器件的光電性能明顯優(yōu)于單層器件,同時空穴傳輸層厚度對其光電性能也具有顯著的影響。當(dāng)空穴傳輸層厚度為15 nm時,雙層器件有較佳的器件性能,其起亮電壓最低,發(fā)光亮度和發(fā)光效率最高。



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