第三章 单一白光层掺杂型oled器件的制备及性能分析

第三章第三章 单一白光层掺杂型单一白光层掺杂型 OLEDOLED 器件的制备及性能分析器件的制备及性能分析 3.13.1 OLEDOLED 器件的制备工艺器件的制备工艺 有机电致发光器件的制作工艺实际上是薄膜工艺和表面处理技术18,19,本实验室制备 WOLED 器件的基本步骤分为以下几步： 图 3.1 有机电致发光器件制作工艺流程 Fig.3.1 Fabrication process of OLEDs （1）基片刻蚀 在有机电致发光器件中，大多采用覆盖氧化铟锡 (ITO)薄膜的透明导电玻璃作为器件的 阳极。本实验所用的玻璃基片上的 ITO 采用磁控溅射成膜，ITO 膜的厚度为 50 nm，薄 层电阻约为 30/口(购自深圳南玻)。 实验中先在 ITO 薄膜覆盖的玻璃基片上用透明胶带对基片进行掩膜，将透明胶带刻成 3 mm 宽的条形小单元，以锌粉覆盖整个基片。稀盐酸与锌粉反应并对 ITO 进行腐蚀，经 大量清水冲洗后，揭去胶带便得到了所需要的 ITO 图形。 （2）基片的清洗 将刻蚀好的 ITO 基片首先用洗洁净或 ITO 清洗液进行擦洗，直到将玻璃片浸入水中提起 时，水迅速成薄膜状滑下且无水珠凝结，表示表面已基本干净。将上述基片放在去离子 水中超声清洗，然后依次用丙酮、异丙醇分别进行超声清洗。以上超声清洗过程，每次 均在 10 分钟以上，最后将洗好的基片放在红外干燥箱中烘干，立即放入真空镀膜室中。 某些情况下为了提高 ITO 膜表面的功函数，降低与相邻有机薄膜层之间的空穴注入势垒， 增强层间的附着力并除去 ITO 表面的污染，可以采用一些途径对 ITO 膜表面进行清洁处 理，其中包括低压等离子体处理，紫外臭氧处理等20， 21， 22。目前来看，最有效的方 法是低压氧等离子体处理。 （3）有机功能层的成膜 有机层的成膜是电致发光器件制备的关键。实验中，对于小分子材料采用传统的真空热 蒸发镀膜，我们采用的蒸镀设备（集成惰性气体纯化仪）为 BOC Edwards Auto-500 Thermal Evaporation Coating System with M. Braun 20G Glove Box，蒸镀沉积条件为：真 空度210-4 Pa，蒸发时间视不同的发光材料及厚度而定，一般的遵循规律为现在较低 温度下对材料进行预热，然后升高到蒸镀温度，蒸镀成膜。对于聚合物材料采用旋转涂 覆(spin coating)工艺成膜。 衬底处理发光层空穴传输层电子传输层 层 金属电极沉积测试 （4）电极制备 当各有机功能层成膜完毕后，接着就进行阴极的制备。一般来说，为了提高电子的注入 效率，要求选用功函数尽可能低的金属材料做阴极，如 Mg:Ag、Ca、LiF/Al 等。但是低 功函数的金属化学性质活泼，它们在空气中易于被氧化，对器件的稳定性不利。 从金属膜的稳定性和工艺方面的因素考虑，本实验采用 Mg:Ag 合金做阴极，其制备也采 取真空蒸镀法成膜，蒸发条件与小分子材料成膜条件相同。在后面的实验中部分器件中 也有采用 LiF/Al 来作为阴极。 （5）器件的封装 我们采用的蒸镀设备是与惰性气体纯化仪(德制充氩手套箱)联体的，整个蒸镀腔室是被 高纯 Ar 气保护。器件在惰性气体保护下进行封装测试。通常的封装方式为选用环氧树 脂点胶后紫外固化封装，我们这里采用一种特殊的 A、B 胶对器件进行封装，省略了紫 外固化的过程。同时避免了紫外光对器件有机层的破坏。 3.23.2 颜色互补型白光颜色互补型白光 OLEDOLED 器件的制备及性能研究器件的制备及性能研究 3.2.13.2.1 荧光染料的掺杂机制荧光染料的掺杂机制 激发态回到基态有几种失活的途径，包括辐射跃迁、化学反应、热振动等，只有辐射跃 迁回到基态的过程才能产生发光。荧光是激发单重态分子失活到基态释放出的辐射能量，磷 光是激发三重态失活到基态所释放的辐射能量。由于有机电致发光的材料大多数是荧光材料， 被电子和空穴复合而激发的三重态都以非辐射跃迁的方式失活，所以器件的内量子效率在理 论上的极限为 25%，这极大地限制了器件的外量子效率。 因此要充分利用激发的三重态发光，减少非辐射跃迁的几率。具体的做法是将高效荧光 染料或磷光染料掺杂在主体材料中，通过激子将能量从主体传递到染料中心，使染料发光， 从而达到提高发高效率的目的。为此我们考虑将红荧烯 Rubrene 掺杂到 Zn(BTZ)2中，因为 红荧烯 Rubrene 是一种常用的高效橙红色荧光色染料，也是一种用于 OLED 的很好染料，它 的发射峰在 562nm。一般认为具有芳香稠环的分子结构稳定性较好，Rubrene 即具有芳香稠 环分子结构(如图 3.2.1)，并且具有相对高的荧光量子效率(溶液中接近 100%)。它可以掺杂在 电子传输性材料中，也可以掺杂在空穴传输性材料中。 同时由于 Rubrene 是一种单氧淬灭剂，它能有效地俘获薄膜中的氧而提高掺杂层的抗氧 化能力，根据 sato 等人23的研究表明，Rubrene 的掺杂能改善掺杂膜的结构，提高膜的稳 定性，阻碍器件存储过程中黑斑的形成。而且 Rubrene 还能够抑制母体 Zn(BTZ)2的微晶化 和聚集，使得母体可以提供更多的载流子陷阱位置，增加电子和空穴的复合几率，从而能够 控制复合发光区的位置24。并且由于 Rubrene 的 HOMO 能级和 LUMO 能级位于 Zn(BTZ)2之间 (见图 3.4)，它可以作为势阱材料使用，在 Zn(BTZ)2掺有 Rubrene 的区域，对载流子有很强 的限制作用。所以掺杂 Rubrene 后器件的发光效率和寿命将有很大的提高，同时可以改变发 光颜色。因此 Rubrene 是一种比较理想的荧光掺杂剂。 天津理工大学 2008 届本科毕业论文 23 3.2.23.2.2器件制备器件制备 为了制备单一白光层电致发光器件，我们以色度学原理中的两种互补色合成白光为依据， 即由两种光混合所生成的光的色坐标在这两种光源色坐标的连线上。本节我们选用高效的橙 红色荧光染料 Rubrene 掺杂到发蓝绿光的金属螯合物小分子材料 Zn(BTZ)2中作为白光层， 利用旋转涂覆和真空蒸镀法，将聚合物和小分子依次成膜，制成了 Rubrene 掺杂质量比分别 为 x=1wt%、0.5wt%和 0.1wt%的三种器件： ITO/PVK:TPD(100nm)/Zn(BTZ)2:Rubrene(x,140nm)/Mg:Ag(50nm)/Ag(100nm) 器件的制备方法如前所述，其中 PVK(聚乙烯咔唑)：TPD(芳香二胺衍生物)为空穴传输 层, Zn(BTZ)2:Rubrene 为白光层，且 Zn(BTZ)2为具有电子传输特性的发光层，ITO 为阳极， 金属 Mg:Ag 为阴极。相应材料的分子结构和器件结构如图 3.2 所示。三种器件衬底均采用 ITO 导电玻璃作为阳极，面电阻约 30/，厚度为 0.5mm，器件有效发光面积为 3mm3mm。发光层及阴极均是在大于 210-4Pa 真空下采用蒸镀的方法制备成膜，Zn(BTZ)2 的蒸发速率为 1-2/s，掺杂层通过共蒸发得到，调节两蒸发源的蒸发速率来得到合适的掺 杂比， Mg:Ag 合金电极也通过双源共蒸发制得，质量比为 10:1，用 FTM-V 膜厚控制仪监控 蒸发速率和膜厚。器件的电致发光(EL)谱、发光亮度及色坐标由美国 PR-650 光度计测量， 电流密度-电压，电流密度-量子效率等特性曲线由美国 Keithley2400 电源及 Keithley485 微电流计组成的量子效率测试系统测量。 N S O Zn N S O N CHH2C n NN CH3CH3 Zn(BTZ)2 PVK TPD Rubrene 图 3.2 有机材料分子结构和器件结构 Fig.3.2 Molecular structure of organic materials and device structure 金属 Mg:Ag 阴极 Zn(BTZ)2:Rubrene PVK:TPD ITO 阳极 衬底 3.2.33.2.3 实验结果与分析实验结果与分析 图3.3是在10V直流电压驱动下，Zn(BTZ)2中Rubrene的掺杂百分比含量=1wt%、0.5wt% 和0.1wt%时，各器件的EL光谱图。从图中可以看出，各器件EL主峰值均位于464nm和560nm处， 分别对应于Zn(BTZ)2和Rubrene的特征发光，且Rubrene在602nm处还出现一肩峰。随着 Rubrene掺杂量由1wt%，降至0.1wt%，器件的EL谱中蓝光成份即Zn(BTZ)2的发射逐渐增强， 说明通过适当调节Zn(BTZ)2与Rubrene二者之间的掺杂比例，是可以逐步调节和改善EL谱中 红、绿、蓝峰峰值比例，最终实现白色电致发光的。 图 3.3 不同 Rubrene 掺杂质量比器件的 EL 谱 Fig.3.3 EL spectrum of the device with different doping concentration of Rubrene 同时，从图3.3中可以很明显地看出，当掺入Rubrene的含量为1wt%时，EL谱中实际已没 有Zn(BTZ)2的特征发光，而完全是以Rubrene分子为主体的发光, 表明在Zn(BTZ)2和Rubrene 之间应存在完全的能量传递，我们认为这可能源于以下两方面原因： 一方面，这种能量传递可能是二者之间的电荷转移引起的。因为Rubrene分子的HOMO与 LUMO位于Zn(BTZ)2分子的带隙内，Rubrene带隙2.21ev25比Zn(BTZ)2的带隙2.76ev26要窄， 如图3.2.3器件的能级结构图所示，它们的HOMO能级很接近，分别为-5.41ev和-5.36ev，但 Rubrene的LUMO能级却比Zn(BTZ)2低0.5ev，所以从AL阴极注入的电子进入Rubrene的LUMO能 级比进入Zn(BTZ)2的LUMO能级容易得多，造成Rubrene的LUMO能级上的电子浓度远大于 Zn(BTZ)2的LUMO能级上的电子浓度，而从正极经载流子传输层注入的空穴进入Rubrene和 Zn(BTZ)2的HOMO能级的难易程度相当，这就使得Rubrene的LUMO能级上的电子与HOMO能级上 的空穴复合的几率远大于Zn(BTZ)2。所以在Rubrene掺杂浓度达到一定值时，其EL谱主要是 天津理工大学 2008 届本科毕业论文 25 Rubrene的发光。而在更低浓度掺杂时，则为二者同时发光，且发光强度比随二者掺杂浓度 比不同而变化。 另一方面，从图 3.4 能级示意图中可以看到，由于 Rubrene 分子的 HOMO 与 LUMO 位于 Zn(BTZ)2分子的带隙内，二者相差很小，这很容易发生振动弛豫过程，如前所述荧光掺杂的 过程是 Forster 能量传递过程，Zn(BTZ)2激子能量很容易通过 Forster 共振转移到 Rubrene 分子，引起 Rubrene 发射。同时从 Rubrene 吸收谱线26看，Rubrene 的吸收谱线正好与 Zn(BTZ)2的发射谱线重叠(图 3.2.4)，Zn(BTZ)2发射很容易被 Rubrene 分子吸收，转变为 Rubrene 发射。 图 3.4 掺杂器件的能级结构图 Fig.3.4 Energy level diagram of the device 从以上两方面来看，掺入 Rubrene 荧光染料将抑制母体 Zn(BTZ)2发射。虽然 Rubrene 不能主动发光，但掺入 Zn(BTZ)2母体中，几乎可以取代母体 Zn(BTZ)2发射，所以 Rubrene 对 Zn(BTZ)2具有很强的宿主性。在 EL 实验中，只要少量的掺杂，Rubrene 就能完全取代母 体 Zn(BTZ)2发出强烈的荧光。而掺杂浓度较大时，荧光发射强度的增长与浓度的增长是不 成比例的，浓度过大时反而引起浓度淬灭，发光效率往往很低，甚至不发光，造成这种现象 是很多物理和化学作用的共同结果。首先，物质的吸收在浓度较大时与浓度并不是成比例地 增加，从而导致了激发效率相对降低。其次，在高浓度时，处于激发态的分子通过其他途径 耗散能量的可能性也加大了，例如形成激基缔合物和类似的聚集状态或者发生能量转移都可 以发生激发态的去活过程27，28。因此掺杂浓度的选择将直接影响到掺杂薄膜的荧光效率和 掺杂薄膜器件的电致发光效率。 2.65ev 5.41ev 5.36ev 3.15ev Rubrene Zn(BTZ)2 4.2v TPD -4.7ev ITO Al -2.3ev -5.4ev PVK LUMO HOMO -5.8ev 图3.5 Zn(BTZ)2的发射谱与Rubrene的吸收谱 Fig.3.5 emission spectrum of Zn (BTZ)2 and the absorption spectrum of Rubrene 基于以上原因，为了获得色坐标更接近于白色等能点(x=0.333,y=0.333)的白色电致发 光，Rubrene在Zn(BTZ)2中的掺杂比例十分重要。比较图3.5中四种不同掺杂浓度下各器件的 EL光谱，可以很明显看出，当Rubrene在Zn(BTZ)2中的质量百分比含量为0.1wt%时，蓝光和 橙红色光发射强度相当，二者混合后能够达到白场平衡，此浓度掺杂效果最佳，所以接下来 我们主要讨论此掺杂浓度比下器件的各种发电特性。 3.2.43.2.4 掺杂比为掺杂比为0.1wt%0.1wt%器件的性能分析器件的性能分析 图 3.6 是 Rubrene 含量为 0.1wt%器件的电流密度电压特性曲线(J-V)，可以看出，电 流密度随外加直流驱动电压的增加，呈非线性增加。 图 3.6 含 0.1wt%Rubrene 器件的电流密度电压曲线 Fig 3.6 Current density bias voltage curve of the device with 0.1 wt% Rubrene Rubrene 的吸收谱 Zn(BTZ)2的发射谱 天津理工大学 2008 届本科毕业论文 27 在低电压区域，低迁移率的欧姆接触以及少量的热生载流子是主要的注入电荷，而在高 于阈值电压的区域，电子的有效迁移率提高，增大了注入电荷的密度，使得在发光区域注入 电流(或电流密度)与电压成高阶指数关系。表明该器件具有优良的二极管整流特性。 图 3.7 是该掺杂型器件的亮度-电压特性曲线，器件在 7V 电压下启亮，当外加直流电压 为 10V 时器件的发光亮度已超过 800cd/m2。继续增加电压,器件稳定地发出明亮耀眼的白光， 器件的最高亮度值超过 5000cd/m2。 图 3.8 给出了不同驱动电压下，器件的 EL 谱，从图中可以看出，随着驱动电压的升高， Zn(BTZ)2的发射强度相比于 Rubrene 增加得更大，说明在较高电压驱动下有更多的电子进入 Zn(BTZ)2的 LUMO 能级，增加了其与 HOMO 能级空穴复合的几率，体现在 EL 谱上就是 Zn(BTZ)2 发射的蓝光部分的强度相比于 Rubrene 发射的橙红色光部分的强度有所增强，也就是说二者 比例发生变化，从而直接导致了白色 OLED 器件色坐标的改变。如表 3. 1 所示，我们给出了 对应于图 3.8 的 3 个不同驱动电压值时的 CIE(1931)色坐标图(图 3.9)及相应的色坐标值(见 表 3. 1)。 图 3.7 含 0.1wt% Rubrene 器件的电压-亮度曲线 Fig 3.7 Brightness - bias voltage curve of the devices with 0.1 wt% Rubrene 表 3.1：不同驱动电压下掺杂器件(0.1wt% Rubrene)的 CIE 色坐标值 Table 3.1 CIE coordinates of the device (0.1 wt% Rubrene) under different driving voltages 驱动电压6V8V10V CIE 坐标X=0.42,y=0.37X=0.35,y=0.36X=0.31,y=0.33 比较上表中三个色坐标值，可以看出我们制备的这种掺杂型白色 OLED 器件，色度随外 加驱动电压在很大一范围内(6-10V)变化不大，且色坐标均接近于白色等能点(如图 3.8 所示)， 说明当 Zn(BTZ)2中 Rubrene 的质量百分比含量为 0.1wt%时，此种掺杂型白色 OLED 器件色度 等性能达到最优。当器件在 10V 电压下工作时，我们测得的显色指数（CRI）约为 6