驱动方式对磷光器件的影响

摘要:制备了以聚合物为主体的磷光掺杂型有机电致发光器件,通过引入空穴阻挡层改善了载流子注入平衡,从而改善了器件的发光性能,通过比较直流和不同频率交流驱动下的电致发光,发现器件的发光随交流驱动电压的频率增大而减小。分析认为,频率影响到对空穴和电子的渡越时间,进而影响到其复合发光的几率。

关键词:聚合物电致发光;交流驱动;载流子复合;磷光

中图分类号:TN27;TN383 文献标识码:A

Effects of Driving Method on Performance of Electro-Phosphorescent Devices

SUN Li1,2, SHAO Xi-bin2, ZHAO Su-ling1, WANG Yong-sheng1

(1. Institute of Optoelectronics Technology, Beijing Jiaotong Unversity, Beijing 100044, China;2. Central Research Institute, BOE Technology Group Co. Ltd., Beijing 100016, China)

Abstract:A PLED device with PVK as host and Ir(ppy)3 as dopant was fabricated. Further, a hole block layer was adopt to improve balance between injecting carriers. As the result, electroluminecent performance of the PLED devices was enhanced. It was found that the electroluminescent intensity was suppressed while frequency of AC driving source was increased. According to analysis, transmitting time of both carriers in the emitting layer could be influenced by alternating electric field, their combination will be so.

Keywords:PLED; AC driving; carriers combination; phosphorescence

引 言

自1987年邓青云博士研究出新结构有机电致发光器件以来,有机电致发光技术飞速发展,在显示和照明等领域展现出卓绝的性能[1]。在显示领域,具有高效、广视角、宽色域、快响应、超轻薄和柔性等特点的有机发光二极管(OLED,是有机电致发光器件的一种俗称)显示设备被称为新一代的梦幻显示技术,近年已有商用化的TV产品。有机电致发光器件按照有机材料分为小分子型和聚合物型,其中基于聚合物的电致发光器件与小分子器件相比,具有效率高、结构简单、制程难度低、材料利用率高、易实现大尺寸和成卷制造等优点,是OLED技术领域内的一大分支[2]。

电致发光器件的效率依赖于贡献发光的激子产率,利用磷光材料中三线态激子的发光,是获得高效率器件的重要途径[3],在此基础上通过适当的掺杂和器件结构设计,可获得几乎100%的内量子效率[4]。典型的材料如Ir(ppy)3,以它为发光掺杂的器件,目前亮度效率已经超过100cd/A。

在聚合物电致发光器件中,聚乙烯基咔唑(PV K)、常用做空穴传输层[5],尤其是在掺杂后具有较好的载流子平衡作用。由于其较宽的禁带,也常用于主体材料[6,7,8]。

通常有机电致发光器件是有极性的,驱动时常用有极性的脉冲驱动,通过调节脉冲的占空比来控制显示亮度,形成不同的灰度级显示。而无机电致发光器件是没有极性的,通过交流驱动,驱动频率影响器件的发光性能[9]。有机电致发光器件在交流驱动下也可点亮,在驱动的正半周发光,负半周则不发光,在负半周的时候还可以在一定程度上抑制串扰,并且交流驱动可以使部分电路简化。

因此我们制备了简单的掺杂聚合物的有机发光器件,通过改善结构来提高其性能,并研究了器件在交流驱动下的性能。

1 实 验

为了研究驱动方式的影响,我们制备了器件A,其结构为ITO/PVK:Ir(ppy)3/Al,以及器件B,其结构为ITO/NPB/PVK:Ir(ppy)3/BCP/Alq3/Al,两种器件如图1所示。其中器件B中增加了空穴传输层、电子传输层和空穴阻挡层,期望能平衡载流子注入,并将激子限制在PVK层内,最终改善器件A的电致发光性能。

器件的制备方法如下:使用市售非定制的覆ITO镀层碱玻璃作为器件的基板,并将此一侧作为器件的出光方向。ITO玻璃依次用无水乙醇和丙酮擦拭,在金属洗衣粉溶液中加热至60℃并超声清洗15分钟,用去离子水洗净后,在丙酮、乙醇和ITO清洗液中各超声清洗15分钟,用去离子水冲洗,4N氮气吹干后在无尘干燥箱中120℃烘30分钟,冷却后在无尘恒温干燥箱中储存备用。在蒸镀有机层之前,用大功率紫外灯近距离照射,对ITO表面进行处理。

Ir(ppy)3以质量百分比1%、3%、5%、7%,掺入PVK氯仿溶液中,并采用旋涂的方法制膜,转速为1,500rpm。利用自制掩膜真空蒸镀100nm厚的Al作为金属电极,速率为0.1nm/s,通过Al电极在有机层上的形状来限定发光区域。器件B中的NPB、BCP和Alq3的厚度分别为20nm、10nm和20nm,在大于10-4Pa真空下蒸镀制成,蒸镀速率为0.05nm/s。

为测试光致发光,在石英衬底上旋涂了质量掺杂1%和3%的PVK:Ir(ppy)3发光层。

本文中的电致发光(EL)和光致发光(PL)光谱都是利用SPEX Fluorolog-3型荧光光谱仪在室温、大气条件下测得。

2 结果和讨论

图2是在345nm紫外光激发下,掺杂1%和3% Ir(ppy)3的PVK薄膜的发射光谱,其中发光峰位于508nm处和418nm处,由PVK氯仿溶液的吸收光谱可知,PVK在346nm处有较高的吸收,而PVK氯仿溶液的发光在418nm处附近,显然508nm处的峰值应该来自Ir(ppy)3的发光。单独监测508nm处的发光,发现其激发峰与PVK在346nm处的吸收相对应。由此说明Ir(ppy)3的激发与PVK的吸收有关,即与对PVK的激发有关。因此在这一混合体系中,光致发光的过程可推测为:PVK吸收光子产生激子而后复合发光,另外还有部分激发能量可以通过单线态和三线态的系间串越(ISC)将能量传给Ir(ppy)3[8],使Ir(ppy)3分子激发并形成三线态激子,三线态激子复合则产生508nm处的磷光发射。从图2得出,在一定掺杂浓度范围内,掺杂浓度越高,发生系间串越的几率越大,传递到Ir(ppy)3上的激发能量的比例越高,所以508nm处Ir(ppy)3的发射强度与PVK 418nm处的发射强度之比越大。

图3是Ir(ppy)3掺杂PVK的单层器件的直流驱动电致发光光谱,驱动电压分别为12V、14V、17V。在508nm处有明显的Ir(ppy)3的发光,并且在537nm处有一肩峰也属于Ir(ppy)3的发射[4]。在此结构中,Ir(ppy)3掺杂的PVK层既做发光层,又兼具电子传输层和空穴传输层的功能,由于PVK材料本身的传导特性(空穴迁移率大于电子迁移率)[10],因此载流子注入并不平衡,导致驱动电压高,器件的发光性能不佳。因此我们制作了以铱配合物Ir(ppy)3掺杂高分子材料PVK为发光层的多层器件ITO/NPB/ PVK:Ir(ppy)3/BCP/Alq3/Al,多层器件的掺杂浓度分别为1%、3%、5%、7%,其中NPB作为空穴传输层加在发光层与ITO之间,能大大增加空穴的注入和传输能力。在发光层靠近阴极一侧,加入BCP作为空穴阻挡层,同时加入具有电子传输性的Alq3作为电子传输层,使得PVK发光层中电子和空穴的注入改善平衡,增加在发光层复合发光的几率,提高了器件的发光性能。

在相同的激发条件下,多层器件的电致发光同单层器件的基本相似,在508nm处有明显的Ir(ppy)3发光和537nm处有一肩峰,在浓度为1%的器件中探测到了PVK位于418nm处微弱的发射,当浓度增大时没有探测到属于PVK的、位于418nm处的发射,其中掺杂浓度为5%的器件的发光强度最大,如图4所示。在电场激发下,Ir(ppy)3的发光来自于配体的激发和PVK的能量传递[8],在电场激发下,PVK的发光很弱,同光致发光对比(图2),说明Ir(ppy)3的发光主要来自于配体的激发。

在交流电压驱动下,当电压强度不变时,器件的电致发光光谱图形与直流驱动电压下相同,并随交流电压频率的变化而变化。如图5所示,在测试范围内,当频率为1,000Hz时,发光强度最大;当频率增大时,器件亮度下降,并且很不稳定;当驱动频率增大至15,000Hz时,发光很微弱。我们认为,在多层器件结构中,由于带隙的原因,在发光层界面处积累空穴和电子,从而形成类似电容的效应。当交流电压的频率增加时,空穴和电子在正向电压时间内不能有效地在发光层复合而发光,所以器件的亮度降低。因此,在较高的电压频率下,器件的发光亮度明显降低;在频率很低的情况下,空穴和电子由于长时间地加速会超出复合区域,所以导致器件亮度下降,而不稳定的原因需进一步验证。

3 结 论

制备了不同浓度的PVK:Ir(ppy)3的单层和多层发光器件,研究了驱动方式对器件发光性能的影响。在器件的电致发光中,主体材料PVK仍有微弱的发光,Ir(ppy)3的磷光主要位于508nm处。在直流驱动下,单层器件的发光较弱,通过改善器件结构,制备了多层器件,并得到了很好的发光特性;在交流电压驱动下测试了相同多层器件的发光性能,发现器件的发光强度在测试范围内随频率的增大而减弱,原因可能为器件结构和材料性能导致的电容效应,使载流子不能有效复合。

参考文献

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作者简介:孙力(1975-),男,工程师,目前从事有机电致发光显示技术的研发工作,E-mail:.cn。