空穴傳輸層厚度對OLED性能的影響

從1987年文獻[1]首次采用芳香二胺類衍生物為空穴傳輸材料，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)動電壓的有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)以來，由于其功耗低、亮度高、視角寬、響應(yīng)速度快等諸多特點而受到了極大的關(guān)注，有機電致發(fā)光(Emissive Layer，EL)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)光顯示領(lǐng)域的熱點之一。人們從發(fā)光材料、制備工藝，到發(fā)光機理、器件結(jié)構(gòu)等各個方面進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)作為空穴傳輸材料，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OLED器件，研究了空穴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OLED器件。

　　1 實 驗

　　1.1 材料

　　實驗選用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。這些有機材料均購自美國Aldirch公司，其分子結(jié)構(gòu)式可參見文獻[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，然后利用高純氮氣吹干，置于OLED-V型有機多功能成膜設(shè)備的預(yù)處理室中，在250 V電壓下進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屏幕亮度計和OPT-2000光譜光度計，分別對所有未封裝的OLED器件的電壓、電流、亮度和光譜進行測試。

　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。

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，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。

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。

圖3：不同厚度空穴傳輸層器件的η-V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。

表1：各器件的性能參數(shù)比較（點擊圖片放大）

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

　　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)。可以看出，N和P的相差越大，發(fā)光亮度L越?。籒和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。

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。實驗結(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。