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微腔效应对顶发射串联蓝光有机电致发光器件性能的影响

张娟 焦志强 闫华杰 陈福栋 黄清雨 康亮亮 刘晓云 王路 袁广才

微腔效应对顶发射串联蓝光有机电致发光器件性能的影响

张娟, 焦志强, 闫华杰, 陈福栋, 黄清雨, 康亮亮, 刘晓云, 王路, 袁广才
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  • 相比于传统有机电致发光器件, 串联有机电致发光器件的发光效率与寿命均得到明显提升. 因此, 深入研究微腔效应对顶发射串联有机电致发光器件性能的影响具有重要意义. 本文以蓝光器件为例, 通过光学仿真模拟与实际实验相结合的方法, 研究了顶发射串联蓝光器件的光学性能与电学性能变化规律. 具体实验为: 分别制备了顶发射串联蓝光器件, 使其两个发光层位置分别位于器件光学结构中的第一与第二反节点、第二与第三反节点、第三与第四反节点. 分析并确定了顶发射串联蓝光器件的两个发光层位置分别位于第二反节点与第三反节点处时, 器件性能较佳. 即: 当器件电流密度为15 mA/cm2时, 器件电流效率为10.68 cd/A (色坐标CIEx, y = 0.14, 0.05), 其亮度衰减到95%所需时间为1091.55 h. 可能原因是: 器件腔长较长时, 既可以改善第一发光单元的空穴与电子平衡度、削弱表面等离激元效应, 降低膜厚波动性对器件腔长的影响性; 又可以在一定程度内起到包裹Partical的作用, 提高效率, 延长寿命. 这一研究成果为设计高效率、长寿命的顶发射串联器件提供了重要依据.
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    李亭亭 2018 硕士学位论文 (西安: 陕西科技大学)

    Li T T 2018 M.S. Thesis (Shaanxi: Shaanxi University of Science & Technology) (in Chinese)

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    Udagawa K, Sasabe H, Cai C, Kido J 2014 Adv. Mater. 26 5062

  • 图 1  微腔器件原理图

    Fig. 1.  Schematic diagram of microcavity device.

    图 2  有机材料的分子结构式

    Fig. 2.  Molecular structure formula of organic materials.

    图 3  有机材料的折射率曲线

    Fig. 3.  Refractive index curve of organic materials.

    图 4  器件A1发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

    Fig. 4.  Simulated electroluminescence (EL) performance of devices A1: (a) Influence of length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of length of microcavity on luminance of OLED.

    图 5  器件A2发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

    Fig. 5.  Simulated EL performance of devices A2: (a) Influence of length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of length of microcavity on luminance of OLED.

    图 6  器件1, 2, 3的电流密度-电压特性曲线

    Fig. 6.  Current density-voltage characteristics of device 1, 2 and 3.

    图 7  电荷产生层的能级示意图

    Fig. 7.  Energy level diagram of charge generation layer.

    图 8  器件A的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-电压特性曲线

    Fig. 8.  The EL performance of devices A: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-voltage characteristics.

    图 9  OLED器件结构图

    Fig. 9.  Device structure of OLED.

    图 10  器件B, C, D, E的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-功率效率特性曲线; (d)电流密度-外量子效率特性曲线; (e)电流密度-电压特性曲线; (f)寿命特性曲线@50 mA/cm2; (g)寿命特性曲线@15 mA/cm2; (h)亮度-视角特性曲线; (i)光谱-视角特性曲线

    Fig. 10.  The EL performance of devices B, C, D and E: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-power efficiency characteristics; (d) the current density- external quantum efficiency characteristics; (e) the current density-voltage characteristics; (f) the lifetime characteristics @50 mA/cm2; (g) the lifetime characteristics @15 mA/cm2; (h) the luminance-angle characteristics; (i) the spectrum-angle characteristics.

    图 11  有机材料的分子结构式

    Fig. 11.  Molecular structure formula of organic materials.

    图 12  器件G发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

    Fig. 12.  Simulated EL performance of devices G: (a) Influence of the length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of the length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of the length of microcavity on luminance of OLED.

    图 13  器件F, H, I, J的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-功率效率特性曲线; (d)电流密度-外量子效率特性曲线; (e)电流密度-电压特性曲线; (f)寿命特性曲线@50 mA/cm2

    Fig. 13.  The EL performance of devices F, H, I and J: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-power efficiency characteristics; (d) the current density-external quantum efficiency characteristics; (e) the current density-voltage characteristics; (f) the lifetime characteristics @50 mA/cm2.

    表 1  有机材料的折射率

    Table 1.  Refractive index of organic materials.

    波长/nm折射率
    HAT-CNNPBTCTAADNDAS-phTPBiLiq
    4652.022.051.962.091.961.701.85
    5451.921.941.881.891.881.661.79
    6201.881.891.851.831.851.641.76
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    表 2  器件A的测试性能参数

    Table 2.  Performance parameters of device A.

    Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEy
    5 nm6.76154810.324.785.250.13720.0516
    25 nm7.1114259.514.264.880.34630.4545
    45 nm7.4213809.223.904.690.34250.6028
    65 nm8.306154.131.612.200.36210.6218
    85 nm8.868255.531.962.820.13750.0405
    105 nm9.5114709.823.144.550.13180.4528
    125 nm10.21160310.683.285.250.13690.0512
    145 nm10.80153010.202.965.020.33260.4168
    165 nm11.1110216.801.924.910.34630.4545
    185 nm11.326344.231.162.320.34250.6028
    205 nm11.667995.321.432.510.13750.0405
    225 nm11.98153410.222.695.120.13100.4512
    245 nm12.34158010.532.665.360.13690.0502
    265 nm12.62150410.032.495.080.35120.4555
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    表 3  器件B, C, D, E的性能参数

    Table 3.  Performance parameters of devices B, C, D and E.

    Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEyLT95(h) @50 mA/cm2
    B3.719786.525.514.080.13760.051458.26
    C6.87154810.324.716.620.13720.051693.88
    D7.33160310.684.586.860.13690.0512140.65
    E8.12157910.534.066.770.13690.050879.88
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    表 4  器件F, H, I, J的性能参数

    Table 4.  Performance parameters of devices F, H, I and J.

    Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEyLT95(h) @50 mA/cm2
    F3.908805.874.723.050.13850.050446.12
    H7.2112388.263.594.290.13830.050880.88
    I7.72168311.224.575.860.13790.051193.21
    J8.31154710.323.915.350.13780.051572.36
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-15
  • 修回日期:  2020-02-24
  • 刊出日期:  2020-05-05

微腔效应对顶发射串联蓝光有机电致发光器件性能的影响

摘要: 相比于传统有机电致发光器件, 串联有机电致发光器件的发光效率与寿命均得到明显提升. 因此, 深入研究微腔效应对顶发射串联有机电致发光器件性能的影响具有重要意义. 本文以蓝光器件为例, 通过光学仿真模拟与实际实验相结合的方法, 研究了顶发射串联蓝光器件的光学性能与电学性能变化规律. 具体实验为: 分别制备了顶发射串联蓝光器件, 使其两个发光层位置分别位于器件光学结构中的第一与第二反节点、第二与第三反节点、第三与第四反节点. 分析并确定了顶发射串联蓝光器件的两个发光层位置分别位于第二反节点与第三反节点处时, 器件性能较佳. 即: 当器件电流密度为15 mA/cm2时, 器件电流效率为10.68 cd/A (色坐标CIEx, y = 0.14, 0.05), 其亮度衰减到95%所需时间为1091.55 h. 可能原因是: 器件腔长较长时, 既可以改善第一发光单元的空穴与电子平衡度、削弱表面等离激元效应, 降低膜厚波动性对器件腔长的影响性; 又可以在一定程度内起到包裹Partical的作用, 提高效率, 延长寿命. 这一研究成果为设计高效率、长寿命的顶发射串联器件提供了重要依据.

English Abstract

    • 与传统液晶显示器(liquid crystal display, LCD)对比, 有机电致发光器件(organic light-emitting device, OLED)具有三大优势, 分别是: 1) OLED具有自发光的技术, 减少了背光模组与偏光片, 使器件更加轻薄化[1]; 2)全固态结构, 可弯曲. OLED器件为全固态结构, 无真空、无液态物质, 抗震性优于LCD器件, 并且可制备在柔性基板上, 因而可实现弯曲显示[2]; 3)色域广、视角宽、响应快、适应穿戴设备需求[3,4]. 色域范围更广[5]: OLED的NTSC标准色域可以达到110%, 而LCD只有70%—90%; 视角更宽: OLED自发光使得器件可视角度达到了170°[6]; 响应速度更快[7]: OLED显示屏响应速度远远超过了液晶屏, 在显示动态画面时无拖尾现象[8].

      为了改善器件的电流效率和寿命, 研究者将多个独立的发光单元串联起来, 同样大小的电流先后流经多个不同的发光单元, 使发光单元共同发光从而提高发光亮度与效率, 制备出了串联OLED器件[9,10]. 因此与传统OLED器件相比, 串联OLED器件在电流效率、发光亮度和寿命方面具有大幅的提升. 一方面, 在串联器件的设计与制备中, 两个或多个独立的发光单元连接处往往需要设计一个具有产生空穴与电子的功能层—电荷产生层(charge generation layer, CGL). 良好的CGL可以将串联OLED的能量最大化地提供给相邻的发光层, 使串联器件的发光亮度与效率成倍增长[11]. 另一方面, 则通过制备新的有机材料、优化功能层膜厚、调节功能层掺杂浓度等方法来改善器件的性能[12,13]. 但是, 目前针对顶发射串联器件的光学研究, 很少有课题组会从微腔效应[14]着手, 系统地研究串联器件光学性能变化规律.

      综上, 本文利用光学仿真技术结合具体实验, 对串联蓝光器件发光层位于器件光学结构中不同的反节点位置时, 器件光学性能的影响规律进行了深入研究, 该研究对于串联OLED器件的光学设计具有指导意义.

    • 蓝光OLED对于固态照明和全彩显示至关重要, 但蓝光OLED的电流效率与寿命仍比较差[15]. 为了提高蓝光器件的效率, 我们利用光学仿真模拟与实验相结合的方法, 深入研究微腔效应对顶发射串联蓝光器件光学性能的影响. 其中, 微腔效应是指: 当器件的发光区域位于一个由全反射膜与半反射膜共同构成的谐振腔内, 当腔长与光波波长处于同一数量级时, 特定波长的光得到增强, 非特定波长的光被减弱, 光谱窄化的光学现象.

      本文具体研究内容为: 系统地研究发光层一与发光层二分别位于第一反节点与第二反节点、第二反节点与第三反节点、第三反节点与第四反节点处, 器件性能的区别, 并深入地分析微腔效应影响器件性能的机理.

    • 在顶发射OLED器件中, 微腔效应会使器件光谱半峰宽变窄, 同时随着视角变化, 器件色坐标发生变化. 微腔器件原理图[5]图1所示.

      图  1  微腔器件原理图

      Figure 1.  Schematic diagram of microcavity device.

      图1E0是器件的发光层发射的初始光强度, E2是透过半透明Mg:Ag M2阴极的光强度, $\sqrt {{R_1}} {{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\phi _1}}}$$\sqrt {{R_2}} {{\rm{e}}^{{\rm{j}}{\phi _2}}}$分别为全反射电极M1、半反射电极M2的复反射系数, T2M2的透射率, A2M2的反射率. 此外, L1, L2分别为发光层距离全反射电极、半反射电极的实际距离长度, L是器件整体的腔长.

      以简化后的微腔效应公式

      $2L/{\lambda _{{\rm{max}}}} + \phi /(2{\rm{\text{π} })} = m\;\left( {m{\text{为整数}}} \right),$

      为理论基础, 应用光学仿真软件模拟顶发射串联蓝光器件, 顶发射串联蓝光器件结构为:

      器件A) ITO/Al/ITO/HIL1 (20 nm)/HTL1 (X nm)/B-EML1 (20 nm, 5%)/ETL1 (35 nm)/CGL (15 nm)/HIL2 (20 nm)/HTL2 (10 nm)/B-EML2 (20 nm, 5%)/ETL2 (35 nm)/LiF (1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/CPL (65 nm).

      其中, HIL是指空穴注入层(hole injection layer), HIL1为有机蒸镀材料dipyrazino[2,3-f:2',3'-h]quinoxaline-2,3,6,7,10,11-hexacarbonitrile(HAT-CN), HIL2为有机蒸镀材料N,N′-di-[(1-naphthalenyl)-N,N′-diphenyl]-(1, 1′-bi-phenyl)-4,4′-diamine (NPB); HTL是空穴传输层(hole transport layer), HTL1与HTL2均为有机蒸镀材料4,4',4''-tris (carbazol-9-yl)-triphenylamine (TCTA); EML是指发光层(emitting layer), B-EML1与B-EML2均为9,10-di-(2-naphthyl)anthracene (ADN):4-di-[4-(N,N-diphenyl)aMino]styryl-benzene (DSA-ph) (ADN:DSA-ph); ETL是指电子传输层(electron transport layer), ETL1与ETL2均为有机蒸镀材料1,1'-(5'-(4-(1H-benzo[d]imidazol-1-yl)phenyl)-[1,1':3',1''-terphenyl]-4,4''-diyl)bis(1H-benzo[d] imidazole) (TPBi); CGL为LiF (1 nm)/Al (5 nm)/HAT-CN(9 nm); CPL是光取出层(capping layer), 为8-Hydroxyquinolinolato-lithium (Liq). 器件中各个功能层材料的分子结构式如图2所示.

      图  2  有机材料的分子结构式

      Figure 2.  Molecular structure formula of organic materials.

      本实验制备的是顶发射器件, 针对器件中各个功能层材料的折射率进行了详细的测试. 首先在白玻璃上蒸镀50 nm的有机薄膜, 然后利用Complete EASE所生产的椭偏仪测试设备对有机蒸镀材料HAT-CN, NPB, TCTA, ADN:DSA-ph, TPBi, Liq进行了折射率的测试. 各有机材料的折射率数值如表1所列, 材料折射率曲线如图3所示, 器件模拟结果如图4所示.

      波长/nm折射率
      HAT-CNNPBTCTAADNDAS-phTPBiLiq
      4652.022.051.962.091.961.701.85
      5451.921.941.881.891.881.661.79
      6201.881.891.851.831.851.641.76

      表 1  有机材料的折射率

      Table 1.  Refractive index of organic materials.

      图  3  有机材料的折射率曲线

      Figure 3.  Refractive index curve of organic materials.

      图  4  器件A1发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

      Figure 4.  Simulated electroluminescence (EL) performance of devices A1: (a) Influence of length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of length of microcavity on luminance of OLED.

      本次光学仿真模拟中, 通过改变HTL1的膜厚来调整器件的腔长L, 即发光层与全反射电极间的距离L1加长, 发光层距离半反射电极长度L2保持不变.

      由器件A1 (HTL的膜厚为5—145 nm)发光性能模拟图(图4)可以看出: 随着腔长的变化, 顶发射串联蓝光器件的色坐标CIExy、发光光谱与亮度均呈现周期性变化. 由图4(a)可知: HTL1的膜厚增加, 器件色坐标CIEx先减小后增大再减小, CIEy正好相反, 都呈周期性变化的趋势. 图4(b)表明: HTL1的膜厚加厚, 器件光谱强度先减小后增大再减小, 并且光谱先红移后蓝移再红移, 同样呈周期性变化. 当HTL1的膜厚为5与125 nm时, 光谱波峰为465 nm, 强度分别为0.515与0.528, 表明该腔长中器件的两个发光单元分别位于第一反节点与第二反节点、第二反节点与第三反节点处, 也说明顶发射串联蓝光器件的腔长变化周期约为120 nm. 为后续制备三个或更多个发光单元的串联蓝光器件提供了部分数据依据. 图4(c)为器件的亮度曲线, 依然会随腔长变化而变化, 再一次验证了腔长对器件性能的影响趋势呈周期性变化.

      为再次说明该顶发射串联蓝光器件的腔长变化周期约为120 nm的规律, 同样先进行了器件A2的仿真模拟, 其中HTL1的变化范围为115—270 nm.

      由器件A2发光性能模拟图(图5)可知: 随着器件腔长L的加长, 顶发射串联蓝光器件的色坐标、光谱与亮度同样呈周期性的变化趋势. 由图5(a)可知: 随着器件中HTL1的加厚, 顶发射串联蓝光器件的色坐标CIEx先减小后增大再减小, CIEy先增大后减小再增大; 由图5(b)器件光谱图可以看出: 当器件中HTL1的膜厚增加, 器件光谱强度先增大后减小再增大再减小, 光谱先红移后蓝移再红移, 均呈现周期性的变化趋势. 当器件中HTL1的膜厚为125和245 nm时, 器件的光谱强度较大, 分别为0.528和0.531, 光谱波峰为464 nm, 说明这两组器件的第一发光单元和第二发光单元分别位于第二反节点与第三反节点、第三反节点与第四反节点, 再次验证了顶发射串联蓝光器件的腔长变化周期为120 nm的规律. 图5(c)器件的发光亮度曲线, 亮度先增大后减小再增大, 也表现出了器件变化的周期性.

      图  5  器件A2发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

      Figure 5.  Simulated EL performance of devices A2: (a) Influence of length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of length of microcavity on luminance of OLED.

    • 为了说明电荷产生层产生空穴与电子的能力, 制备了电荷产生层的单一电子传输型器件1、单一空穴传输型器件2和单一电荷产生层器件3. 具体的器件结构为

      器件1 (单一电子传输型器件):

      ITO/TPBi (35 nm)/LiF (1 nm)/Al (5 nm)/NPB (40 nm)/Al (150 nm);

      器件2 (单一空穴传输型器件):

      ITO/TPBi (35 nm)/HAT-CN (9 nm)/NPB(60 nm)/Al (150 nm);

      器件3 (单一电荷产生层器件):

      ITO/TPBi (35 nm)/LiF (1 nm)/Al (5 nm)/HAT-CN (9 nm)/NPB (60 nm)/Al (150 nm).

      器件的制备与性能表征大体分为三个步骤. 1)顶发射基板的清洗: 将基板依次通过纯净水、去离子水、丙酮、异丙醇、酒精等液体清除杂质, 随后置于180 ℃的烘烤箱中去除水汽. 2) OLED器件制备: 将清洗干净的基板传送到真空蒸镀腔体中, 有机物的蒸镀速率为0.01—0.02 nm/s, 金属阴极Al, Mg和Ag分别以0.1, 0.09和0.01 nm/s的速率完成蒸镀. 3)器件性能的测试与分析: 器件的电流密度、亮度均由Keithley-2400与PR650光谱扫描分光光度计测得.

      图6所示为器件1, 2和3的电流密度-电压特性曲线. 由图6可以看出, 器件1的电流密度几乎为零, 这表明电荷不是在LiF/Al的界面处产生的. 器件2的电流密度较大, 电荷可能是在HAT-CN/NPB的界面处产生的. 可能的原因是: HAT-CN为常用的强电子受体材料, 电荷产生层产生的电子会被拉到HAT-CN的最低未占据分子轨道(LUMO)能级, 同时产生的空穴将被留在NPB的最高占据分子轨道(HOMO)能级, 即产生了电荷. 随后, 当器件被施加一定的电压时, 产生的电子和空穴沿相反方向传输到相邻的发光层中. 器件3的电流密度随电压的增大而增大, 既说明电荷确实是在HAT-CN/NPB的界面处产生的, 也表明LiF/Al的电子传输能力较佳. 当NPB与HAT-CN接触时, 为达到费米能级平衡的状态, 累积在HAT-CN/NPB界面处的电子-空穴对被分离成电子与空穴, 电子通过HAT-CN的LUMO能级传输到LiF/Al, 空穴沿NPB的方向传输到发光层中.

      图  6  器件1, 2, 3的电流密度-电压特性曲线

      Figure 6.  Current density-voltage characteristics of device 1, 2 and 3.

      图7为电荷产生层的能级示意图. 由图7可知, 在器件3中, 由于ITO与TPBi的HOMO能级势垒差为1.4 eV, 空穴从阳极注入到TPBi是比较难的, 同样阴极Al与NPB的LUMO能级的能级差为1.6 eV, 则电子也很难从阴极注入到NPB中. 给器件施加电压后, 所得的电流大小反映了电荷产生层CGL产生电荷的能力大小. 单一载流子器件1和器件2的J-V曲线说明所施加的电压未使得电子和空穴分别从阴极和阳极注入到器件中, 因此, 对器件3所施加的电压不能给器件提供多余的载流子, 再次说明J-V曲线呈现的电流由CGL所提供.

      图  7  电荷产生层的能级示意图

      Figure 7.  Energy level diagram of charge generation layer.

      为了进一步说明理论拟合的正确性和最佳器件参数的可信性, 现制备了实验器件A.

      不同HTL1厚度器件的发光性能如图8所示. 表2为器件性能测试数据, 其中V表示电压, L表示亮度, CE表示电流效率, PE表示功能效率, EQE表示外量子效率.

      Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEy
      5 nm6.76154810.324.785.250.13720.0516
      25 nm7.1114259.514.264.880.34630.4545
      45 nm7.4213809.223.904.690.34250.6028
      65 nm8.306154.131.612.200.36210.6218
      85 nm8.868255.531.962.820.13750.0405
      105 nm9.5114709.823.144.550.13180.4528
      125 nm10.21160310.683.285.250.13690.0512
      145 nm10.80153010.202.965.020.33260.4168
      165 nm11.1110216.801.924.910.34630.4545
      185 nm11.326344.231.162.320.34250.6028
      205 nm11.667995.321.432.510.13750.0405
      225 nm11.98153410.222.695.120.13100.4512
      245 nm12.34158010.532.665.360.13690.0502
      265 nm12.62150410.032.495.080.35120.4555

      表 2  器件A的测试性能参数

      Table 2.  Performance parameters of device A.

      图  8  器件A的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-电压特性曲线

      Figure 8.  The EL performance of devices A: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-voltage characteristics.

      图8(a)为器件A的光谱特性曲线图. 可知, 随着HTL1膜厚的增加, 器件的发光光谱先红移后蓝移再红移, 这是因为微腔效应具有部分波长的光得到增益, 部分光进行衰减, 则器件的发射光强度先降低后增高再降低再增高, 实验测试光谱位置的改变对光谱强度的影响趋势与仿真模拟得到的光谱强度影响趋势是一致的, 呈现周期性变化.

      图8(b)为器件A的电流效率-亮度特性曲线图. 可以看出, HTL1薄膜加厚, 器件的电流效率先减小后增大再减小再增大, 同样呈现周期性的变化. 当器件HTL1的膜厚为5, 125与245 nm时, 器件的发光强度较大, 器件的电流效率较高. 原因可能是当HTL1的膜厚为5, 125, 245 nm时, 微腔效应对蓝光进行了增益, 改善了器件的亮度, 使得器件效率增大.

      图8(c)为器件A的电流密度-电压特性曲线图. 可以看出, 随着HTL1膜厚加厚, 器件的自身电阻增大, 则电流密度一定时, 器件的电压增大.

      通过实验制备器件的测试与仿真结果的对比, 得出随着HTL1膜厚的增加, 器件的色坐标、发光强度、电流效率均呈现周期性变化的规律. 为此随后对器件B, C, D, E进行了更为详细的验证实验.

      现制备了三组顶发射串联蓝光器件, 分别将串联器件中的两个发光单元的微腔腔长置于第一反节点与第二反节点、第二反节点与第三反节点、第三反节点与第四反节点处. 具体器件结构[16,17]图9所示.

      图  9  OLED器件结构图

      Figure 9.  Device structure of OLED.

      器件B) ITO/Al/ITO/HIL1 (20 nm)/HTL1(85 nm)/B-EML1 (20 nm, 5%)/ETL1 (35 nm)/LiF(1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/CPL (65 nm);

      器件C) ITO/Al/ITO/HIL1 (20 nm)/HTL1 (5 nm)/B-EML1 (20 nm, 5%)/ETL1 (35 nm)/CGL(15 nm)/HIL2 (20 nm)/HTL2 (10 nm)/B-EML2 (20 nm, 5%)/ETL2 (35 nm)/LiF (1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/ CPL(65 nm);

      器件D) ITO/Al/ITO/HIL1 (20 nm)/HTL1(125 nm)/B-EML1 (20 nm, 5%)/ETL1 (35 nm)/CGL (15 nm)/HIL2 (20 nm)/HTL2 (10 nm)/B-EML2 (20 nm, 5%)/ETL2 (35 nm)/LiF (1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/ CPL (65 nm);

      器件E) ITO/Al/ITO/HIL1 (20 nm)/HTL1(245 nm)/B-EML1 (20 nm, 5%)/ETL1 (35 nm)/CGL (15 nm)/HIL2 (20 nm)/HTL2 (10 nm)/B-EML2 (20 nm, 5%)/ETL2 (35 nm)/LiF (1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/CPL (65 nm).

      这四组器件分别是顶发射单发光单元器件B、顶发射串联蓝光器件C, D, E, 器件C, D, E除了空穴传输层HTLI的膜厚不同, 分别为5 nm (器件C)、125 nm (器件D)、245 nm (器件E)以外, 其他功能层的材料、膜厚、掺杂比等均相同.

    • 图10为顶发射单发光单元器件B、顶发射串联蓝光器件C (HTL1膜厚5 nm), D (HTL1膜厚125 nm), E (HTL1膜厚245 nm)的发光性能图, 表3为器件测试所得数据.

      Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEyLT95(h) @50 mA/cm2
      B3.719786.525.514.080.13760.051458.26
      C6.87154810.324.716.620.13720.051693.88
      D7.33160310.684.586.860.13690.0512140.65
      E8.12157910.534.066.770.13690.050879.88

      表 3  器件B, C, D, E的性能参数

      Table 3.  Performance parameters of devices B, C, D and E.

      图  10  器件B, C, D, E的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-功率效率特性曲线; (d)电流密度-外量子效率特性曲线; (e)电流密度-电压特性曲线; (f)寿命特性曲线@50 mA/cm2; (g)寿命特性曲线@15 mA/cm2; (h)亮度-视角特性曲线; (i)光谱-视角特性曲线

      Figure 10.  The EL performance of devices B, C, D and E: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-power efficiency characteristics; (d) the current density- external quantum efficiency characteristics; (e) the current density-voltage characteristics; (f) the lifetime characteristics @50 mA/cm2; (g) the lifetime characteristics @15 mA/cm2; (h) the luminance-angle characteristics; (i) the spectrum-angle characteristics.

      图10(a)为器件B, C, D, E的光谱特性曲线图. 由图10(a)可知: 第一, 当HTL1膜厚分别为5, 125和245 nm时, 器件的色坐标分别为(0.1372, 0.0516), (0.1369, 0.0512)和(0.1369, 0.0508), 光谱峰值均约位于光波波长462 nm处. 此外, 单发光单元器件B的光谱强度为0.82, 器件C, D, E的光谱强度分别是1.38, 1.49, 1.49, 约为器件B的1.7倍, 则说明两组器件中的发光层一、发光层二的微腔腔长分别位于第一反节点与第二反节点、第二反节点与第三反节点、第三反节点与第四反节点处; 第二, 随着HTL1膜厚的增加, 器件C, D, E的半峰宽越来越窄, 明显小于器件B的半峰宽, 表明HTL1膜厚的增加会增强器件中的微腔效应, 使得器件光谱变窄, 即当HTL1膜厚为245 nm时, 器件中的微腔效应更加显著[18,19].

      图10(b)为器件B, C, D, E的电流效率-亮度特性曲线图. 可以看出: 当器件的电流密度均为15 mA/cm2时, 器件C, D, E的电流效率分别为10.32, 10.68, 10.52 cd/A, 相差很小, 均高于器件B的电流效率6.52 cd/A, 则再次说明当HTL1的膜厚为5, 125, 245 nm时, 发光层一、二均处于反节点处. 此外, 表面等离激元是指金属中的自由电子和外界中的光场发生相互作用的电磁模, 器件外界的光场被共振的电子俘获, 形成了表面等离激元(SPP)效应. 在平坦的金属/介质界面处, 由于金属的欧姆热效应, 表面等离激元的能量被逐渐耗尽, 125 nm的HTL1会将SPP效应削弱, 增大出光效率[20]. 但当HTL1的膜厚为245 nm时, 由于器件膜层厚度增加, 降低了器件的出光效率. 也说明器件的发光层位置不是只要在反节点处即可, 当HTL1的膜厚为125 nm时, 器件性能最佳.

      图10(c)为器件B, C, D, E的电流密度-功率效率特性曲线图. 可以看出: 当器件的电流密度均为15 mA/cm2时, 器件B, C, D, E的功率效率分别为5.51, 4.71, 4.57, 4.06 lm/W. 这是由于器件的功率效率与器件的电流效率成正比、与器件的电压成反比, 由于器件中HTL1膜厚的增加, 器件的电阻增大, 则当电流密度一定时, 器件的电压增大, 功率效率增大, 即器件B的功率效率大于器件C的, 器件C的功率效率大于器件D的效率. 器件B的电压最低, 则虽然器件的电流效率较低, 但功率效率最高. 这就是串联器件的劣势.

      图10(d)给出了器件B, C, D, E的电流密度-外量子效率特性曲线图. 可以看出: 在电流密度为15 mA/cm2时, 器件B的外量子效率为3.32%, 器件C的外量子效率为5.25%, 器件D的外量子效率为5.43%, 器件E的外量子效率为5.36%, 器件C, D, E的外量子效率均高于器件B的效率, 器件的外量子效率是指发射出器件的光子数目占注入电子数目的比例. 产生该结果的原因是: 串联器件C, D, E中的电荷产生层CGL产生的电子、空穴与阳极、阴极产生的空穴、电子进行了较高概率的复合, 提高了光子数量, 改善了器件的外量子效率.

      图10(e)为器件B, C, D, E的电流密度-电压特性曲线图. 可以看出: 当这四组器件被施加的电流密度为15 mA/cm2时, 器件B, C, D, E的电压依次为3.71, 6.87, 7.33, 8.12 V. 串联器件C, D, E的电压均高于器件B的电压. 且器件D, E的电压均大于器件B的电压6.87 V. 原因可能是: 有机材料均为半导体材料, 即电导率介于有机绝缘体和有机导体之间的一类有机化合物材料, 电导率一般为10–10—102 (Ω·cm)–1[21,22]. 随空穴传输层HTL1膜厚的增加, 器件中的电阻增大, 电流减小.

      图10(f)为器件B, C, D, E的寿命特性曲线图. 图10(f)表明器件D寿命(140.65 h)长于器件C的寿命(93.88 h), 器件C的寿命长于器件E的寿命(79.88 h), 器件B的寿命(58.26 h)最短. 产生原因可能是: 一方面, 器件C, D, E具有两个发光单元, 当发光亮度相等时, 每一发光单元所需的电流较小, 产生的无效能量——热能较少, 可以延长器件寿命, 即长于单发光单元器件B. 另一方面, 对于器件C, D, E而言, 器件D的HTL1膜厚较厚, 可削弱SPP效应, 增大出光效率, 延长器件寿命; 并且, 由于器件D, E中的HTL1膜厚较厚, 可以起到包裹Partical的作用, 同样使器件寿命得到提高. 产生该现象的原因可能为: 依据瓦格纳热击穿理论, 当器件的厚度较薄时, 在驱动电压的驱动下, 器件在发生热击穿时更易于形成新的通道, 即电荷沿因Partical引起的HTL1薄膜所形成的裂痕进行迁移, 使器件的可发光区域的面积不断减小, 故在发生热电击穿后器件寿命缩短; 而对于器件中HTL1膜层较厚的器件, 当器件发生热电击穿时, 随着时间的增加器件较难形成新的通道, 即未产生新的Partical裂痕, 所以器件在热电击穿后其可发光区域面积减小速率较小, 器件的亮度随时间的增加基本保持不变, 即器件寿命较长[23]. 但因器件E的膜厚较厚, 则可能由于自身电阻较大, 则相等时间、相等电流下, 器件产生的热能较大, 则加速了器件寿命的缩短, 即串联器件的发光层分别处于第二反节点与第三反节点处, 器件性能最佳.

      此外, 针对寿命性能最佳的器件C, 测试了在15 mA/cm2的电流密度下, 其亮度衰减到95%的寿命为1091.55 h, 测试结果如图10(g)所示. 原因是: OLED器件在发光过程中产生的焦耳热会导致器件温度持续升高, 过多的热量引起材料发生形变与结晶, 进而产生电荷陷阱, 使得到达发光层的电荷减少, 发光层形成淬灭中心, 器件亮度衰减, 寿命缩短.

      图10(h)所示为器件B, C, D, E在电流密度为15 mA/cm2时的亮度-视角特性曲线. 视角是指观测角度与器件表面法线之间的夹角. 单发光单元器件B的正面亮度约为870 cd/m2, 顶发射串联器件C, D, E的正面亮度均约为1600 cd/m2. 因测试视角的机台与测试IVL的机台为两种设备, 视角亮度数据与IVL测试数据略有差异. 对于单发光单元器件B, 随着视角的增大, 器件亮度依次减小. 当观测角度为40°时, 器件C (HTL1膜厚为5 nm)的亮度为697 cd/m2, 器件D (HTL1膜厚为125 nm)的亮度为1018 cd/m2, 器件E (HTL1膜厚为245 nm)的亮度为1180 cd/m2; 当观测角度为50°时, 器件C (HTL1膜厚为5 nm)的亮度为630 cd/m2, 器件D (HTL1膜厚为125 nm)的亮度为926 cd/m2, 器件E (HTL1膜厚为245 nm)的亮度为1140 cd/m2; 当观测角度为60°时, 器件C (HTL1膜厚为5 nm)的亮度为660 cd/m2, 器件D (HTL1膜厚为125 nm)的亮度为1000 cd/m2, 器件E (HTL1膜厚为245 nm)的亮度为1000 cd/m2. 可以看出: 随着视角的增加, 器件的亮度逐渐减小, 之后略微增加. 其原因可能在于, 在阴极与阳极之间形成的微腔结构具有选择波长和提高正面光耦合输出的能力. 当光子从微腔底部发射出后, 最后会经过CPL才能射到空气中. 玻璃基板的折射率为1.85, 空气的折射率为1.0, 当光子经过玻璃基板与空气界面时, 会发射全反射, 临界角约为45°. 传输到CPL中且入射角大于临界角的光将无法射到空气中. 这就解释了器件C, E 在视角为45°左右的光强度减小或增大的趋势问题. 而相对于器件E而言, 可能因器件膜厚增加, 随着视角的增大, 器件微腔腔长的变化量占器件自身微腔腔长的比例减小, 则对器件中两发光单元的光学影响较小, 但当视角为60°时, 器件腔长变化量才引起器件光学性能的波动.

      图10(i)所示为器件B, C, D, E在电流密度为15 mA/cm2时的光谱-视角特性曲线. 由图10(i1)可知: 单发光单元器件B随着视角的增大(0至85°或者0至–85°), 器件B的光谱强度降低、光谱蓝移. 由图10(i2)(i4)可以看出: 串联器件C, D, E随视角的增大, 器件的光谱强度均降低、光谱均蓝移. 但是对于不同的视角, 光谱的峰值和半峰宽几乎不随角度的变化而变化, 基本保持不变. 产生这种现象的原因可能是: 当光从微腔中出射时, 满足公式$\lambda = 2 j = 2{ {nd}}\cos \theta $, 其中λ为出射光波长, n表示微腔中介质的平均折射率, d为微腔的厚度, θ为反射角, 亦能够反映出射角的大小. 一般情况下, 对于确定的器件结构, nd不变, 那么随着角度θ的增加, 波长会减小, 由此可以看出, 随着视角的增加, 光谱出现了明显的蓝移现象.

      综上所述, 器件D (HTL1膜厚125 nm)的发光性能(当器件的电流密度为15 mA/cm2时, 电流效率为10.68 cd/A)约为单发光单元器件B (当器件的电流密度为15 mA/cm2时, 电流效率为6.52 cd/A)的1.6倍, 并且优于串联器件C (HTL1膜厚5 nm)、器件E (HTL1膜厚245 nm). 主要因素为: 当HTL1的膜厚为125 nm时, 可削弱SPP效应, 增大出光效率, 并由于膜厚较厚, 既可以起到包裹Partical的作用, 又会对膜厚微小波动敏感度降低[24], 使得顶发射串联蓝光器件的发光性能与寿命长度得到显著改善. 当HTL1的薄膜加厚, 器件本身的电阻增大, 所需的电压增大, 虽可削弱SPP效应、增大出光效果, 但散热能量加大, 缩短了器件寿命. 即后期制备高性能顶发射串联蓝光器件时, 优先考虑制备发光层位于第二反节点与第三反节点的器件结构.

      对实验结果与光学仿真模拟软件模拟结论对比可知: 该光学仿真软件的模拟结果与实验结果变化趋势完全一致, 后期可在实验前先进行器件模拟, 既可以减少材料耗量、优化设备机时, 又可以增大实验成功率.

    • 为了进一步验证“腔长对器件性能的影响趋势呈周期性变化”这一结论的普适性, 将浅蓝光发光材料更换为另一种浅蓝光发光材料, 制备了顶发射串联浅蓝光有机电致发光器件. 通过调节HTL1的膜厚, 来验证器件的色坐标、光谱、亮度等器件性能参数随着器件腔长的变化呈现周期性的变化规律.

      顶发射串联浅蓝光器件结构为:

      器件F) ITO/Al/ITO/HIL1 (15 nm)/HTL1(50 nm)/B-EML1 (30 nm, 6%)/ETL1 (35 nm)/LiF(1 nm)/Mg:Ag (15 nm, 9∶1)/CPL (65 nm);

      器件G) ITO/Al/ITO/HIL1 (15 nm)/HTL1(X nm)/B-EML1 (30 nm, 6%)/ETL1 (35 nm)/CGL(15 nm)/ HIL2 (20 nm)/HTL2 (60 nm)/B-EML2(30 nm, 6%)/ETL1 (35 nm)/LiF (1 nm)/Mg:Ag(15 nm, 9∶1)/CPL (65 nm).

      其中HIL1为有机蒸镀材料HAT-CN, HIL2为有机蒸镀材料NPB, HTL1与HTL2均为有机蒸镀材料TCTA, B-EML1与B-EML2均为ADN: TBPe (2,5,8,11-tert-tertbutylperylene), ETL1与ETL2为有机蒸镀材料TPBi, CGL为LiF(1 nm)/Al (5 nm)/HAT-CN (9 nm), CPL为Liq. 器件中各个功能层材料的分子结构式如图11所示.

      图  11  有机材料的分子结构式

      Figure 11.  Molecular structure formula of organic materials.

      本顶发射串联蓝光OLED器件的模拟仿真结果如图12所示.

      图  12  器件G发光性能模拟图 (a)不同的腔长对OLED器件CIEx, y的影响; (b)不同的腔长对OLED器件发光光谱的影响; (c)不同的腔长对OLED器件亮度的影响

      Figure 12.  Simulated EL performance of devices G: (a) Influence of the length of microcavity on CIEx, y of OLED; (b) influence of the length of microcavity on spectrum of OLED; (c) influence of the length of microcavity on luminance of OLED.

      图12为器件G的器件模拟特性曲线. 可以看出: 器件G中HTL1的膜厚增加, 器件的色坐标、光谱与发光亮度均呈周期性变化的趋势. 当HTL1的膜厚为1 nm (器件H)、121 nm (器件I)和241 nm (器件J)时, 器件的发光特性基本一致, 表明该顶发射串联蓝光器件的变化周期约为120 nm.

      顶发射串联红光OLED器件的实际实验结果如图13所示, 测试数值如表4所列.

      Device@15 mA/cm2V/VL/cd·m–2CE/cd·A–1PE/lm·W–1EQE/%CIExCIEyLT95(h) @50 mA/cm2
      F3.908805.874.723.050.13850.050446.12
      H7.2112388.263.594.290.13830.050880.88
      I7.72168311.224.575.860.13790.051193.21
      J8.31154710.323.915.350.13780.051572.36

      表 4  器件F, H, I, J的性能参数

      Table 4.  Performance parameters of devices F, H, I and J.

      图  13  器件F, H, I, J的发光性能图 (a)光谱特性曲线; (b)电流效率-亮度特性曲线; (c)电流密度-功率效率特性曲线; (d)电流密度-外量子效率特性曲线; (e)电流密度-电压特性曲线; (f)寿命特性曲线@50 mA/cm2

      Figure 13.  The EL performance of devices F, H, I and J: (a) The spectrum characteristics; (b) the current efficiency-luminance characteristics; (c) the current density-power efficiency characteristics; (d) the current density-external quantum efficiency characteristics; (e) the current density-voltage characteristics; (f) the lifetime characteristics @50 mA/cm2.

      图13为器件F, H, I, J的器件实验测试结果示意图.

      图13(a)为器件F, H, I, J的光谱特性曲线. 可以看出: 单发光单元器件F的光谱强度约为顶发射串联器件H, I, J的一半, 说明串联器件结构中两个发光单元均正常工作. 当HTL1的膜厚分别为1, 121与241 nm时, 器件的光谱强度大小基本相等, 光谱峰值分别为460, 459, 459 nm大致重合, 说明两组器件中的发光层一、发光层二的光学腔长位置正好位于蓝光光谱的反节点处.

      图13(b)给出了器件F, H, I, J的电流效率-亮度特性曲线图. 可以看出: 器件的电流密度均为15 mA/cm2时, 器件F, H, I, J的电流效率分别为5.87, 8.26, 11.22 与10.32 cd/A, 器件I的电流效率最高. 可能是由于HTL1较厚, 可以改善器件发光层中电子与空穴的复合率, 1 nm的HTL1所提供的空穴传输能力较低, 电子数量多于空穴数量, 多余的电子的堆积, 进一步降低了器件的发光效率. 241 nm的器件J由于HTL1较厚, 使得进入到第一发光单元的空穴多于电子数量, 同样降低了器件的发光性能.

      图13(c)为器件F, H, I, J的电流密度-功率效率特性曲线图. 可以看出: 当器件的电流密度均为15 mA/cm2时, 器件H, I, J的功率效率分别为3.59, 4.57, 3.90 lm/W. 虽然HTL1膜厚的增加, 使得器件电压增大, 但功率效率与电流效率成正比, 电流效率的改善, 进一步提高了器件的功率效率.

      图13(d)为器件F, H, I, J的电流密度-外量子效率特性曲线图. 可以看出: 同样为器件I的外量子效率最高, 为5.86%. 再次说明HTL1的膜厚为121 nm时, 器件中的空穴、电子复合率较佳, 改善了器件的发光性能.

      图13(e)为器件F, H, I, J的电流密度-电压特性曲线图. 可以看出: 当两组器件所施加的电流密度为15 mA/cm2时, 器件F, H, I, J的电压分别为3.90, 7.21, 7.72, 8.31 V. 一方面说明串联器件中的电荷产生层CGL的电学性能较佳, 不会消耗太多的电压; 另一方面因有机材料均为半导体材料, 则随着空穴传输层HTL1的膜厚增加, 器件中的电阻增大, 电流密度减小.

      图13(f)为器件F, H, I, J的寿命特性曲线图. 当器件电流密度为50 mA/cm2时, 器件I (HTL1膜厚121 nm)的寿命(93.21 h)较长, 约为单发光单元器件寿命(46.12 h)的2.02倍. 同样由于HTL1的薄膜厚度适当, 既可以起到包裹 Partical的作用, 降低漏电、尖端放电等缺陷的出现概率; 又可以提高第一发光层中空穴与电子的数量平衡性, 降低器件中空穴或电子的堆积现象的出现.

      顶发射串联蓝光有机电致发光器件的仿真模拟结果与实际实验结论均表明: 腔长对器件性能的影响趋势是具有周期性的. 模拟结果显示: 顶发射串联蓝光器件的变化周期为120 nm, 且实验结果为: 顶发射串联蓝光器件的变化周期为120 nm. 即实验结果与模拟结果完全一致. 则后期进行实验之前, 均可应用该实验结论, 以降低实验周期、实验成本.

    • 本文详细研究了双发光单元的顶发射串联蓝光器件的发光单元分别位于不同反节点处, 器件的性能变化. 通过光学仿真软件模拟器件光学性能, 模拟结果表明了器件HTL1空穴传输层膜厚为125 nm时, 器件性能相比于HTL1为5 和245 nm更佳, 即发光单元分别处于第二反节点、第三反节点处, 器件性能更优. 随后将同样结构的OLED器件进行了具体的实验, 再次说明HTL1膜厚为125 nm的器件效率与寿命较好. 当器件电流密度为15 mA/cm2时, 器件电流效率为10.68 cd/A; 当电流密度为50 mA/cm2时, 器件亮度衰减到初始亮度的95%所需时间LT95为140.65 h. 可能是由于HTL1的膜厚较厚时, 既可以改善第一发光单元的空穴与电子平衡度、削弱SPP效应, 降低膜厚波动性对器件腔长的影响性; 又可以在一定程度内起到包裹Partical的作用, 提高效率, 延长寿命. 这一研究成果为设计高效率、长寿命的顶发射串联器件提供了重要依据.

参考文献 (24)

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