Se摻雜制備電致發光器件的研究

周婷

摘要

本文探討了在有機電致發光器件（OLED）的空穴傳輸層材料NPB中摻雜無機材料Se后對器件特性的影響。實驗顯示當NPB與Se的摻雜比例為3：2時，器件的電學性能最好。同時與空穴傳輸層NPB未摻雜的器件對比，摻雜Se后的電致發光器件在同一電壓下的電流更大，通過軟件擬合算出在摻雜Se后零電場下器件載流子的遷移率由2.03×10^-7cm²/V·s提高到8.31×10^-6cm²/V·s，增大了40倍。在外加電壓3V時，器件載流子遷移率由2.77×10^-5cm²/V·s提高到1.99×10^-4cm²/V·s，因此Se的摻雜能夠提高OLED載流子的遷移率。然而在器件亮度方面，在摻雜Se后，發現在同一電壓下器件的發光亮度明顯降低，經測試發現這是因為Se的顏色較深導致摻雜層顏色較深，導致發射層發射出的光子有部分由摻雜層吸收，因而器件發射出來的光子減少。

【關鍵詞】電致發光器件 摻雜 Se 遷移率

1 引言

目前有機電致發光是一個熱門的研究領域，而有機材料是有機電致發光器件（OLED）的一個重要組成，跟無機材料相比，有機材料因為具有更大的材料選擇范圍和種類更多的顏色顯示使其得到迅速發展，再加上其工藝簡單，許多小分子材料都能使用真空熱蒸發制成薄膜，而許多高分子材料可使用旋涂法進行成膜。盡管如此，在提高OLED的效率方面仍有許多難題需要克服，具體問題有：

（1）在穩定性方面，與無機材料相比，在高電場下有機材料的穩定性較差;

（2）在載流子遷移速率方面，與無機材料相比，有機材料空穴和電子遷移速率低，同時載流子注入效率較低;

（3）在載流子傳輸方面，有機材料傳輸空穴與電子的效率不平衡，這是影響器件效率一個重要原因。

以上可知，跟有機電致發光材料相比，無機電致發光材料在一些方面具有優良的性質，因而能在許多領域廣泛應用。由于無機材料穩定性較強、載流子遷移率較高，這使得無機電致發光在過去幾年得到迅速發展。然而無機電致發光（LED）器件的制備工藝相對復雜且制作成本較高，使得無機電致發光器件的制作陷入了瓶頸。

結合以上介紹的有機和無機材料各自的特點，發現二者優劣可以相互彌補，這啟發我們將這兩種材料結合起來使用。將有機材料和無機材料摻雜，可以利用無機半導體具有的氧化或還原性能，提高有機材料載流子空穴和電子的遷移率，達到改善器件性能的目的。

2 實驗

2.1 實驗過程

首先清洗ITO玻璃襯底，用丙酮和乙醇棉球先后擦拭ITO表面，再將其先后放入丙酮和乙醇溶液進行15分鐘超聲，接著用去離子水沖刷洗凈ITO襯底，最后放入烘箱烘干。

其次生長器件制備所需的各層薄膜，本實驗各層材料通過LN-262A型多源有機氣相沉積系統制備。當腔體之間的真空度在30Pa以下時，把托盤傳送至有機蒸發室。當有機蒸發室的真空度在3×10^-4Pa以下時，依次生長各層材料和Se，使用儀器帶有的頻率為6MHz的晶振片膜厚儀觀測薄膜的生長速度和厚度，所有有機材料的生長速度控制0.1～0.2nm/s。

最后在將托盤送至金屬蒸發室進行陰極制作，金屬室的真空度要小于4×10^-4Pa，Al電極的生長速度控制在2nm/s。所有薄膜的生長過程包括腔體之間擋板的開關，蒸發室內掩膜板的開關等都在真空條件下完成。

2.2 器件制備結構

為了研究不同的Se摻雜濃度下對OLED器件載流子的作用，我們制備了四個摻雜比例不同的器件，結構為ITOfNPB：Se（150nm）/AlQ（150nm）/Cs₂CO₃（2.5nm）/Al（120nm），ITO進行氧氣等離子體處理，摻雜比例分別為NPB：Se-3：0，3：1，3：2，3：3，依次標志為A/B/C/D四個器件。結構中每一層的生長厚度均是平時實驗已經優化得到的最優厚度。其中器件A沒有生長Se，可以作為參考器件。器件的結構圖如圖1所示。

2.3 實驗結果與討論

2.3.1 摻雜對載流子遷移率的影響

為了研究摻雜無機材料Se能夠提高OLED的性能，我們首先制備了單極性器件并進行測試，器件結構為：ITO/ NPB：Sc（200nm）/NPB（60nm）/Al（120nm）。其中摻雜比例為NPB：Se=3：0，3：1，3：2，3：3，依次標記為1，2，3，4四個器件。其中1號器件沒有摻雜，可以作為參考器件進行對比。同時運用氧氣等離子體對四個器件的ITO襯底進行處理，目的是提高ITO的功函數（work function），進而使空穴傳輸層與ITO之間的能級更加匹配，提高從ITO正極注入空穴的能力。

我們在常溫常壓下測試了器件的電流一電壓特性，結果如圖2所示。由圖可知，對單極性結構器件來說摻雜Se前后測試得到在同一電壓下電流增大，而且隨著Se摻雜比例逐漸增大，在電壓下電流的變化趨勢是先增大后減小，其中摻雜比例為3：2時器件的電流最大，摻雜比例增加為3：3時器件的電流降低，與未摻雜時的器件接近。所以摻雜Se的濃度不是越高越好，當Se濃度過高時反而會降低NPB的空穴傳輸效率，從而降低OLED性能。

運用1stOpt軟件擬合出單極性器件在不同摻雜比例下的遷移率，計算的公式為：

其中，ε=3.5，ε₀是真空介電常數，大小為8.85×10^-14C/V·cm;L是器件成膜的實際厚度，其值為150nm;J為電流密度;E為電場強度。

將測試所得的J和E帶入式1，運用軟件擬合計算出零電場下器件內載流子的遷移率μ₀。將μ₀帶入式2，算出外加3V電壓時，器件內載流子的遷移率的大小。計算公式為：

具體結果見表1所示。由表可知，器件載流子遷移率隨著Se摻雜濃度的增大時先增大后減小，當NPB：Se=3：2時，在零場和外加電場下器件內部載流子的遷移率都達到了最大值，與未摻雜器件相比載流子遷移率擴大40倍。當摻雜濃度繼續增大時，載流子遷移率迅速下降，甚至遠小于未摻雜器件?？梢?，摻雜濃度需控制在一定比例才可以有效提高器件載流子的遷移率。否則Se過量摻雜時由于濃度過高產生團聚現象，這種現象造成Se和NPB間有效接觸面積的減小，使得載流子遷移率下降，影響了摻雜效果。

2.3.2 摻雜對OLED器件性能的影響

圖3是NpB與Se以不同摻雜比例制備的器件測試所得的電流一電壓和亮度一電壓曲線圖，NPB：Se-3：0，3：1，3：2，3：3。

由圖3（a）可以看出與未摻雜的器件對比，摻雜Se后器件在同一電壓值下電流更大，且器件的電流隨著摻雜比例的增大，先增大后減小，當NPB：Se=3：2時器件的電流最高，而NPB：Se=3：3時器件的電流迅速減小與未摻雜時的器件性能接近，由此可知摻雜濃度很大時過量的Se會導致器件性能的下降。由本結果可知，NPB與Se摻雜的濃度為3：2時，器件有較好的電學特性。

由圖3（b）可以看出不同摻雜比例下器件的開啟電壓均在4V左右，分析可知這是由于四個器件的襯底都進行了ITO氧氣等離子處理，所以四個器件的ITO正極與空穴傳輸層的勢壘差一致，開啟電壓一致。

對比圖3（a）和3（b）發現，隨著摻雜濃度的變化亮度和電流的變化趨勢正好相反，在一定摻雜比例范圍內器件電流隨著摻雜比例的增大而增大，但是器件的亮度卻呈減小趨勢。觀察Se顆粒以及器件的顏色可知，Se本身是紅褐色固體，所以增大Se的摻雜濃度時，器件的顏色會隨之加深。器件中央的發光層發射出來的光子會經過空穴傳輸層（即摻雜層）再由ITO表面射出，由圖3（b）所示，在相同電壓下發光亮度隨著摻雜濃度的增大而降低，其原因可能是深顏色的Se摻雜層吸收了發光層發射出來的光子，導致器件發射出來的光子減少，因而亮度降低。

3 結論

使用Se摻雜制備OLED，當NPB與Se的摻雜比例為3：2時，器件電學性能最好。與未摻雜Se的器件對比，在該摻雜比例下器件在同一電壓下有更大的電流、在零電場和外加一定電場下器件載流子遷移和傳輸率均有很大提高。同時實驗發現摻雜Se后的器件與未摻雜時相比，器件的亮度在相同電壓下有所降低，這是因為Se的顏色較深導致摻雜層顏色較深，導致發射層發出的光子被摻雜層吸收，發射出來的光子減少。

參考文獻

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