基于双发光层结构的高效率绿色有机发光二极管 
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1 引言
自有机发光二极管(OLEDs)出现以来[1],由于其具有主动发光、全彩显示、可弯曲、制作工艺简单等优点,在固态照明和全彩面板显示等方面具有很大的应用价值和商业潜力[2-5],因此OLEDs得到了广泛关注。
与荧光材料[6]相比,磷光发光材料[7]在OLEDs中具有更广泛的应用,因为它可以同时捕获单重态和三重态激子,从而实现理论上100%的内部量子效率[8-9]。在这些磷光过度金属配合物中,三价铱[Ir(III)]的配合物[10-12]具有较高的磷光效率和较短的激发态寿命。因此近年来,铱的配合物得以广泛研究,基于Ir(III)配合物的材料设计和器件结构的优化[13]得到了许多研究人员的关注,性能较好的有机发光器件对于提高Ir(III)配合物的电致发光(EL)性能具有重要意义。
由于磷光材料单独蒸镀制备器件时,其较长的寿命容易导致三重态与三重态激子间的湮灭(TTA)[14-15],因此,为了抑制三重态激子间的湮灭,提高空穴和电子的复合概率,一般采用主客体材料掺杂蒸镀的方式制备器件。在其发光机制中,载流子首先注入主体材料,客体材料依靠主客体材料间的能量传递实现发光。客体材料的最低未占轨道(LUMO)和最高占据轨道(HOMO)能级应分别低于和高于主体材料,且两者的能级差不应过大[16-18]。因此与磷光染色材料相匹配的主体材料尤为重要。
本文旨在通过设计器件结构,进一步提高双铱(III)(2’,6’-双(三氟甲基)-2,3’-联吡啶)四苯基亚氨基二次膦酸酯(TNT1)的EL性能。通过选择与磷光材料TNT1更为匹配的主体材料,设计相应的OLED器件。再通过改变发光层与传输层厚度,提高有机电致发光器件的性能。最后,得到了高性能绿色OLED器件,它的最大亮度、电流效率、功率效率和外部量子效率(EQE)分别为12600 cd/m2、37.15 cd/A、28.23 lm/W和10.33%。
2 实验内容
2.1 实验内容
首先,在制备OLEDs之前,先用洗涤剂反复搓洗光刻好的氧化铟锡(ITO)导电玻璃基片,其次用自来水冲洗玻璃基片,确保玻璃基片上不再存在洗液,然后使用去离子水冲洗,冲洗干净后用镊子将其放入去离子水中超声20 min,再用去离子水冲洗一下。将清洗干净的 ITO 基片放入120 ℃ 的干燥箱中烘干( 1 h 以上)。
把处理好的ITO玻璃放入预处理室,再传递到有机室中,此时有机室应处在高真空 (≤2.0×10-5 Pa)条件下,选择以0.05 nm/s的速率沉积各有机层。对于发光层,通过共蒸发TNT1和合适的主体材料制备发光层。通过调节TNT1的蒸发速率来调节材料的掺杂浓度。有机层蒸镀结束后,将ITO玻璃传输到金属室(真空度≤8.0×10-5 Pa)。电子注入材料LiF和阴极材料Al分别以0.01 nm/s和1.0 nm/s的速率沉积。器件的电流密度、亮度、电压、电流效率、功率效率等通过计算机控制的 Keithley2400 型数字源表和屏幕亮度计测量得到,电致发光光谱用海洋光学分光光度计测试。所有的测试都是在室温空气环境中进行。
2.2 器件结构
实验中选取TNT1为发光材料,它在实验过程中表现出了绿光发射,并具有合适的分子轨道能级(HOMO能级为-5.9 eV,LUMO能级为-3.0 eV)。2,3,6,7,10,11-六氰基-1,4,5,8,9,12-六氮杂苯并菲(HAT-CN)具有相对较低的HOMO和LUMO能级,因此当空穴大量地聚集在其HOMO能级上时,浓度差会使空穴更好地注入。同时使用 4,4'-环己基二[N,N-二(4-甲基苯基)苯胺] (TAPC) 作为空穴传输层/电子阻挡层 (HTL/EBL)材料,TAPC具有较高的空穴迁移率(1×10-2 cm2·V-1·s-1)和LUMO能级(-1.8 eV),有利于空穴的注入与传输。另外,1,3,5-三(6-(3-(吡啶-3-基)吡啶-2-基)苯(Tm3PyP26PyB) 具有较高的电子迁移率和较低的HOMO能级(-6.5 eV)等特点,本文选择该物质作为空穴阻挡/电子传递层(HBL/ETL)。
3 结果与讨论
3.1 单发光层器件性能
首先,选择9,9'-(2,6-吡啶二基二-3,1-亚苯)双-9H-咔唑(26DczPPy)作为发光层的主体材料,与客体材料TNT1一起构成单发光层(single-EML)结构。26DczPPy的HOMO能级为-6.1 eV,LUMO为-2.6 eV。因此,TNT1的HOMO能级和LUMO能级被包含在主体材料内,同时发光层与TAPC和Tm3PyP26PyB层能级呈阶梯状分布,有利于空穴和电子发光层内复合成为激子,进而提高器件效率。制备的电致发光器件的器件结构及各功能层能级如
器件结构为ITO/HAT-CN (6 nm)/HAT-CN (0.3%)∶TAPC (50 nm)/TNT1 (X%)∶26DczPPy(10 nm)/Tm3PyP26PyB(50 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm),其中TNT1的掺杂质量分数分别为9%、10%、11%,相应的器件分别标记为A、B、C。
图 2. 器件A、B、C的电致发光性能。(a)电流密度-电流效率曲线;(b)电压-电流密度曲线;(c)电压-亮度曲线;(d) 10 mA/cm2时的归一化发射光谱
Fig. 2. Electroluminescence performance of device A, B, and C. (a) Current density-current efficiency curve; (b) voltage-current density curve; (c) voltage - luminance curve; (d) normalized emission spectra at the current density of 10 mA/cm2
从
同时,以TcTa为主体材料制备了相同结构的器件,TNT1掺杂质量分数为10%时获得了最大的电流效率19.21 cd/A。其器件性能远低于器件B。该结构下空穴优先传输到主体材料上,然后过渡到发光分子内,导致发光分子内空穴较少,载流子分布极不平衡,进而造成器件EL性能的降低。
表 1. 器件A、B、C主要的性能参数
Table 1. Main performance parameters of device A, B, and C
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3.2 双发光层器件性能
本文对器件结构进行了优化,在TNT1∶26DczPPy的结构的基础上又添加了TcTa作为第一发光层。其器件结构为ITO/HAT-CN (6 nm)/HAT-CN (0.3%)∶TAPC (50 nm)/ TNT1 (X%)∶TcTa (5 nm)/TNT1 (X%)∶26DczPPy (10 nm)/Tm3PyP26PyB (50 nm)/LiF (1 nm)/Al (150 nm),掺杂质量分数分别为9%、10%、11%,相应的器件分别标记为D、E、F,器件结构的能级分布图如
图 3. 器件D、E、F的电致发光性能。 (a)电流密度-电流效率曲线;(b)电压-电流密度曲线;(c)电压-亮度曲线;(d)电流密度为10 mA/cm2时的归一化发射光谱
Fig. 3. Electroluminescence performance of device D, E, and F. (a) Current density-current efficiency curve; (b) voltage-current density curve; (c) voltage-luminance curve; (d) normalized emission spectra at the current density of 10 mA/cm2
最终,本次实验器件E获得了最佳电致发光性能,其中启亮电压为3.1 V,最大亮度为12600 cd/m2,电流效率为37.15 cd/A,最大外量子效率为10.34%,最大功率效率为28.23 lm/W。
表 2. 器件D、E、F主要的性能参数
Table 2. Main performance parameters of device D, E, and F
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为了更好地了解这些器件的发光机理,进一步研究了载流子在复合区的分布情况。如
4 结论
为了研究单、双发光层器件结构对器件性能的影响,利用真空蒸镀的方法分别制备不同的器件结构。实验结果表明,器件结构对器件的性能影响较大,相比单发光层器件,双发光层器件均具有更高的亮度和效率。这是由于双发光层器件更有利于空穴和电子的注入和传输,使发光层的空穴与电子分布更加平衡,进而提高了器件亮度和效率。最终得到了最大亮度为12600 cd/m2,电流效率为37.15 cd/A,最大外量子效率为10.34%,最大功率效率为28.23 lm/W的器件。
[1] Tang C W, Vanslyke S A. Organic electroluminescent diodes[J]. Applied Physics Letters, 1987, 51(12): 913-915.
[2] 李真真, 刘伟强, 武瑞霞, 等. 主体材料对绿色有机发光二极管性能的影响[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(22): 222302.
[3] 夏树针, 王文军, 杜倩倩, 等. 提高有机发光二极管发光性能的阳极修饰方法[J]. 激光与光电子学进展, 2016, 53(8): 082302.
[4] 卢小香, 王勇, 韩晓媚, 等. 纳米图形增强OLED出光效率研究[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(2): 022301.
[5] Gu G, Shen Z L, Burrows P E, et al. Transparent flexible organic light-emitting devices[J]. Advanced Materials, 1997, 9(9): 725-728.
[6] Heil H, Rodriguez L, Burkhart B, et al. High-performance OLED materials[J]. SID Symposium Digest of Technical Papers, 2014, 45(1): 495-497.
[8] Baldo M A. O'Brien D, You Y J, et al. Highly efficient phosphorescent emission from organic electroluminescent devices[J]. Nature, 1998, 395(6698): 151-154.
[9] Mulder C L, Celebi K, Milaninia K M, et al. Saturated and efficient blue phosphorescent organic light emitting devices with Lambertian angular emission[J]. Applied Physics Letters, 2007, 90(21): 211109.
[11] Xia J C, Liang X, Yan Z P, et al. Iridium(III) phosphors with bis(diphenylphorothioyl)amide ligand for efficient green and sky-blue OLEDs with EQE of nearly 28%[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(33): 9010-9016.
[12] Okada S, Iwawaki H, Furugori M, et al. High-efficiency RED organic light emitting material and device based on triplet emission with Ir complex[J]. SID Symposium Digest of Technical Papers, 2002, 33(1): 1360-1363.
[13] Holder E, Langeveld B, Schubert U. New trends in the use of transition metal-ligand complexes for applications in electroluminescent devices[J]. Advanced Materials, 2005, 17(9): 1109-1121.
[14] Lee S C, Kim Y S. Synthesis and photophysical studies of new blue phosphorescent iridium complexes of fluorinated 2-phenyl-4-methoxypyridine[J]. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2008, 491(1): 209-216.
[15] Wu L L, Yang C, Sun I, et al. Photophysical and electrochemical properties of blue phosphorescent iridium(III) complexes[J]. Organometallics, 2007, 26(8): 2017-2023.
[18] Ahn S Y, Ha Y. Pyridyltriazole as a main ligand in the iridium complexes for blue phosphorescence[J]. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 2010, 520(1): 68-74.
周帝呈, 邵晶. 基于双发光层结构的高效率绿色有机发光二极管[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(15): 152304. Dicheng Zhou, Jing Shao. High Efficiency Green Organic Light-Emitting Diode Based on Double Light-Emitting Layers Structure[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(15): 152304.
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