摘 要: 采用真空热蒸发法在ITO阳极与空穴传输层TPD之间插入VOx空穴注入层,使典型结构(ITO/TPD/Alq3/LiF/Al)的有机发光二极管(OLED)的发光性能明显改善。当插入VOx空穴注入层后,器件的启亮电压比没有插入VOx时的器件下降了2 V。当插入20 nm的VOx空穴注入层后,器件的驱动电压在亮度为100 cd/m2或1 000 cd/m2时均下降了3.5 V;器件的最大亮度从5 808 cd/m2(14.5 V )上升至9 234 cd/m2(11.5 V);器件的最大功率效率从0.88 lm/W增加到2.63 lm/W。此外,对VOx厚度分别为10,20和30 nm的三组器件进行了对比,结果显示器件性能基本一致。
0 引言
有机发光二极管(OLED)是一种较有前景的显示器件,目前已经应用在手机、照相机及MP3等小屏幕上。有机发光器件具有制作简单、超轻超薄、主动发光且发光效率高、亮度高、视角宽等优点,目前,多家国际大公司已有大屏幕样机推出,被认为是最有可能取代液晶显示器(LCD)的技术。但目前有关OLED的理论并不完善,器件的寿命和效率也不十分理想,企业及学术界均投入大量人力物力,试图了解器件物理理论和提高器件寿命与效率[1]。增加载流子注入,提高载流子平衡程度以及提高激子形成和复合的几率是提高OLED器件效率的有效途径。在已有的OLED发光材料和器件结构的基础上,通过在其阳极和空穴传输层之间插入空穴注入层,可以获得比原有器件更低的启亮电压,更高的发光效率。Ganzorig等[2]将TPD-SbCl5插入ITO与TPD之间作为空穴注入层,使器件启亮电压下降到3 V以下。Cui等[3]用TAA作为空穴注入层,使器件的启亮电压从12 V下降到7 V。Shen等[1]用Pt作为空穴注入层,使器件启亮电压明显降低。Elschner等[4]将PEDT/PSS作为空穴注入层,使器件的驱动电压在亮度为100 cd/m2时下降了2 V。Meng等[5]用MoO3作为空穴注入层,使器件的启亮电压从13 V下降到5.5 V。林慧等[6]将2-TNATA作为空穴注入层,也取得明显效果。Tokito等[7]用磁控溅射法制备VOx薄膜作为空穴注入层,使器件的启亮电压下降了1.7 V。本文用功函数为5.4 eV的V2O5作为空穴注入层,使用真空热蒸发法制作了结构为ITO/VOx(ynm)/TPD/Alq3/LiF/Al的四组器件(y=0,10,20,30nm),并比较了各组器件的性能。
1 实验
1.1 制备过程
实验所用阳极材料是深圳南玻股份有限公司生产的未抛光ITO玻璃,膜厚约180 nm,其面电阻小于10Ω/□。对ITO玻璃先用丙酮、酒精和去离子水反复超声清洗后,用干燥的纯氮气吹干待用。V2O5为分析纯(大于99%),真空热蒸发得VOx薄膜,用作空穴注入层;TPD作为空穴传输层,购自美国Aldrich.Chem.Co公司;Alq3作电子传输层兼发光层,购自东京化成株式会社;LiF作电子注入层,购自美国Aldrich.Chem.Co公司;Al作阴极。所有试剂使用前均未进一步提纯。器件结构为ITO/VOx(ynm)/TPD(40 nm)/Alq3(60 nm)/LiF(0.8nm)/Al(100 nm),发光面积为6 mm×6 mm。在制备的过程中,有机层和无机层均采用高真空热蒸发成膜,真空度均在6×10-4Pa以下,有机材料蒸发速率为0.1~0.3 nm/s,LiF蒸发速率约为0.02nm/s,V2O5蒸发速率为0.4~0.8 nm/s,Al蒸发速率大于1 nm/s,各层薄膜的沉积速率和厚度由INFCONXTM/2石英晶振膜厚仪在线监测,并经过Ambios XP-2台阶仪校正。
1.2 性能测试
薄膜透过率由Shimadzu 2550紫外可见分光光度计记录;表面形貌用Auto Probe CP Research型原子力显微镜观测,工作模式为轻敲模式,探针型号为ultra leversB针;电压和电流由Keithley 2400型数字源表测量,亮度由ST-86LA屏幕亮度计测量,电压、电流和亮度等通过程序控制直接由计算机记录,整个测量过程在常温大气环境下进行,器件未封装。
2 结果与分析
为探讨VOx与ITO的接触性质,制备了结构为ITO/ VOx(210 nm)/Al(100 nm)的器件,其J-V曲线如图1所示。由图1可见,J-V曲线在-2 V~+2 V范围内呈线性关系,表明VOx与ITO及Al之间没有形成势垒,为良好的欧姆接触。当电压为2 V时,器件电流密度就达到约400 mA/cm2,表明VOx具有良好的导电性能。此外,测量了100 nm厚的VOx的透光率,其透射谱如图2所示。从图2可见,VOx薄膜具有很高的透光率,在可见光范围内,其透光率大于65%;当波长在480~780 nm之间时,其透光率大于90%。
图3和图4所示分别为器件的电流-电压特性和亮度-电压特性。由图3可见在阳极和空穴传输层TPD之间插入VOx后,在相同驱动电压下,器件的注入电流明显增加,表明在器件中插入VOx有利于电流的注入。进一步比较插入不同厚度(分别为:10,20和30 nm)的VOx后的器件电流特性,结果显示其基本一致,这表明在器件这插入VOx后,其注入层厚度对器件性能的影响不大。从图4可知,插入VOx后,器件启亮电压从5 V下降至3 V,并且不同注入层厚度对启亮电压影响不大。以VOx厚度为0 nm与20 nm的器件作对比,当器件亮度为100cd/m2时,两者对应的驱动电压分别为8.6 V和5.1V,下降了3.5 V;当器件亮度为1 000 cd/m2时,对应的驱动电压分别为11.2 V和7.7 V,也下降了3.5 V。以上结果表明,插入VOx注入层后,器件的注入电流增加,启亮电压降低,这是由于VOx的功函数为5.4 eV, TPD的HOMO为5.5 eV,空穴从VOx到TPD的注入势垒仅为0.1 eV,而ITO的功函数为4.7 eV,空穴从ITO到TPD的注入势垒为0.8 eV,两者相比插入VOx空穴注入层器件的空穴注入势垒降低了0.7 eV。而VOx厚度对器件的特性影响不大,可能是因为VOx与ITO之间为较好的欧姆接触,且VOx具有良好的导电性能及透光率。
从图3和图4还可以看出,VOx厚度为0 nm的器件,亮度达到最大值(5 808 cd/m2)时对应的电压为14.5 V,电流密度为240 mA/cm2;插入VOx(厚度分别为:10,20和30 nm)的三组器件的亮度最大值分别为8 715,9 234和9 614 cd/m2,对应的电压分别为12,11.5和12 V,对应的电流密度分别为283,290和313 mA/cm2。由此可见,插入VOx空穴注入层后,器件的最大亮度增加了约50%,电流密度增加了约20%。图5为器件的流明效率-电压特性曲线。流明效率η(单位:lm/W)是发射光通量L(单位:流明)与输入的光功率P之比。流明效率由如下公式计算[8]:η=πB/JV式中,B为发光亮度,J为相应的电流密度,V为测量亮度时所加的偏置电压。从图5可以看出,插入20 nm VOx空穴注入层后,器件在3.5 V时的效率达到最大,为2.63 lm/W,而没有插入VOx空穴注入层的器件,在10.5 V时的效率达到最大,为0.88 lm/W。结构为ITO/TPD/Alq3/LiF/Al的器件的空穴比电子更容易注入,插入VOx后,空穴注入能力大大增强,应该会导致电子和空穴的注入更加不平衡,但实验结果表明,器件效率不但没有下降,反而大大增加。经过分析,我们认为:随着空穴注入增强,会使TPD/Alq3界面TPD一边的空穴浓度增大,堆积的空穴会促进电子在Alq3层的注入与传输,从而促进器件的载流子注入增强,使器件的启亮电压降低,效率提高[1]。
从图5还可知,插入VOx空穴注入层的器件在启亮之初,便有较好的效率,而没有插入VOx空穴注入层的器件,在启亮之初的效率很低,然后增大。这可能是因为VOx对ITO表面具有修饰作用。从图6可知,插入VOx后,粗糙的ITO表面更平滑,而有机分子热蒸发沉积是以团簇的形态生长,大团的有机化合物无法填充到ITO的小凹陷中,故改善了表面平滑度,有助于电极与TPD更好地结合,而VOx又具有良好的导电性能,使载流子均匀注入,避免因局部过热或针孔等原因导致器件性能下降[9]。此外,器件效率与亮度特性明显改善的原因可能还有:(1)VOx有效阻止了In和O元素从ITO阳极向有机层的扩散,使器件发光效率提高[10];(2)插入VOx后,空穴注入势垒从0.8 eV下降为0.1 eV,ITO阳极与空穴传输层TPD之间的接触变为了欧姆接触;(3)虽然对ITO表面进行了严格的清洗,但其表面可能仍然附着微量的有机污物,而有机污物会降低ITO的功函数,增加空穴的注入势垒。当插入VOx后,ITO与空穴传输层TPD的接触变为与VOx的接触,使ITO表面的洁净度对器件的影响大大降低。
3 结论
本实验用真空热蒸发法,制备了含VOx空穴注入层的有机发光二极管,VOx与发光器件的有机膜在同一真空室完成制膜,工艺简单,制作方便。在ITO和空穴传输层TPD间插入VOx空穴注入层后,注入电流得到显著提高,器件的启亮电压降低至3 V,效率也大大改善,其最大功率效率从0.88 lm/W增加到2.63 lm/W。
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作者简介:李艳武(1985-),男,湖北天门人,硕士研究生,主要从事有机电致发光器件的研究。
