中間層對三原色白光OLED的影響

王 培，王 振，鄭 新，柳 菲，陳 愛，謝嘉鳳，王玉嬋

(重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065)

1 引 言

白光有機發光二極管(White organic light-emitting diodes,WOLEDs)作為一種新型的照明技術正在全世界范圍內掀起一股行業潮流。與LED照明不同的是，WOLEDs照明可以高效節能地實現模擬自然白光，對環境的污染較小。同時WOLEDs具有制造工藝簡單、可大面積制作等優點[1-11]。因此，設計高效的白光器件便成為了各國科研者工作的目標。多發光層白光器件是目前研究最多的一種白光器件[12-14]。Sun等[15]設計了BGR三原色白光器件，其三發光層結構為FIrpic∶UGH2/Ir(ppy)3∶mCP/PQIr∶TCTA，在1000cd/m2時獲得了34lm/W的效率。Reineke等[16]同樣利用三原色發光層發光混合成白光原理，得到了在1000cd/m2時效率為90lm/W的白光器件。載流子的注入通過在各發光層之間引入中間層方式來平衡[15]。

FIrpic與TmPyPb的T1能級分別為～2.65eV和～2.62eV，兩者可以形成共振，對于在含有TmPyPb區域內的三線態激子而言，其運動幾乎是自由的。不僅如此，由于兩者三線態能級接近，出現輻射發出藍光的過程包括正常退激和延遲退激，較長壽命的三線態激子在轉移的途中能量包括兩部分：一是將能量傳遞給客體發光，二是將能量傳遞到其他區域，導致藍光發光層的效率不高。綜上，將藍色發光層位于紅色發光層與綠色發光層之間，以保證激子的充分利用和各發光層均實現發光，形成白光。

本文通過在各發光層之間插入中間層，利用Dexter與Forster能量轉移條件與材料對激子的調節作用，研究中間層對器件白光發射的影響。研究表明，具有雙中間層的器件實現了優異的白光發射，其最大發光效率達到了22.56cd/A。

2 實 驗

實驗中設計了以下A、B、C、D4種器件，其中的百分數為質量分數：

ITO/NPB(35nm)/TCTA(5nm)/Ir(MDQ)2-(acac)∶TCTA10%(6nm)/TCTA(xnm)/FIrpic∶TmPyPb20%(6nm)/TmPyPb(ynm)/Ir(ppy)3∶TmPyPb10%(6nm)/TmPyPb(40nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)，其中A:x=0,y=0;B:x=0,y=2; C:x=2,y=0;D:x=2,y=2。

實驗中所用有機化合物材料的結構式如下：

玻璃襯底參數為：ITO厚度約為40nm，方塊電阻約為50Ω/□。為去除其表面的油污和灰塵對襯底進行常規的清洗操作，丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗。為了獲得較高的表面潔凈度和ITO功函數，采用氧等離子體對襯底進行處理。處理過程中保持O2流量800mL/min，處理設備功率80～100W，處理時間為8min。然后立即放入蒸發鍍膜設備中。采用真空熱蒸鍍方法，在高真空條件下(～10-5Pa)制備三原色磷光白光OLED器件。器件的結構和能級圖如圖1所示。

圖1 器件結構和能級圖Fig.1 Structure and energy level of the devices

可以從器件結構上得知：空穴從NPB注入到Ir(MDQ)2(acac)∶TCTA紅光區域后可以不越過任何勢壘達到靠近中間發光層FIrpic∶TmPyPb的左側附近，電子從TmPyPb傳輸到FIrpic∶TmPyPb發光層的右側或者Ir(ppy)3∶TmPyPb發光層的左側附近，進而復合產生激子。

3 結果與討論

圖2是A器件在電流密度分別為1，10，100mA/cm2下的EL光譜。紅光發射強度最大，隨著電流密度的增加，藍光和綠光發光強度逐漸增強，且綠光強度略高于藍光強度。主要原因有：Ir(MDQ)2(acac)三線態能級最低，獲取能量的能力最強，紅色發光強度最大。發光層與發光層之間無中間層，隨電流密度增加，藍色與紅色發光層之間的接觸面處出現激子復合從而造成三線態激子猝滅[17]，Dexter能量轉移被抑制，紅光發射強度減弱，綠色與藍色光發射強度上升。電流密度增加，使得在藍光與綠光發光層內輻射發光的激子增多，從而藍色與綠色光發射強度增加。綠光強度略高于藍光則是由于TmPyPb、FIrpic、Ir(ppy)3的三線態能級分別為2.62，2.65，2.4eV，Ir(ppy)3從TmPyPb獲得能量更容易。

圖2 器件A的EL光譜Fig.2 EL spectra of device A

圖3是器件B在1，10，100mA/cm2電流密度下的EL光譜。只在藍色發光層與綠色發光層之間插入2nm TmPyPb中間層后，紅光發射最強，隨著電流密度的增加，藍色和綠色發射強度均出現了上漲，且藍色略高于綠色。Dexter能量轉移最佳距離在1～2nm內[18]，對于銥復合物而言，Foster能量轉移的典型距離低于2nm[19]，2nm的中間層引入導致藍色發光層與綠色發光層之間的Forster與Dexter能量轉移被抑制，因此藍光發射強度大于綠光。另外，TmPyPb的電子傳輸與空穴阻擋特性，使得相對較多的激子在藍色發光層復合發光，藍色發射強度高于綠色。紅光發射最強的原因與圖2中分析類似。隨電流密度增加，藍色發光層區域內的更多載流子越過勢壘在綠色發光層形成激子復合發光，使得藍色與綠色發光比例上升。

圖3 器件B的EL光譜Fig.3 EL spectra of device B

圖4是器件C在1，10，100mA/cm2電流密度下的EL光譜。在藍色發光層與紅色發光層之間引入2nm TCTA中間層，出現綠光發射最強、藍光其次、紅光最弱。因為TCTA是一種良好的空穴傳輸與電子阻擋材料，導致較多激子在藍色發光層中退激，發射藍光。FIrpic與Ir(MDQ)2(acac)之間存在的能量轉移均被抑制。同時，藍色到紅色發光層之間的能量轉移由于TCTA中間層的高三線態能級被極大地削弱，限制了激子擴散到紅色發光層[20]，紅光發射強度最低。但激子在TmPyPb材料中的運動幾乎自由，綠光客體材料獲取能量能力較強，綠光發射強于藍光?？紤]到在有機物中的三線態激子的擴散長度為100nm左右[21]，在100mA/cm2時，更多激子擴散到紅色發光層使得其發光強度略高于1，10mA/cm2兩種電流密度。

圖4 器件C的EL光譜Fig.4 EL spectra of device C

圖5是器件D在1，10，100mA/cm2電流密度下的EL光譜?？梢娫诟靼l光層之間均插入中間層后，器件實現了很好的白光發射。藍光發光強度最強、綠光其次、紅光最弱，其原因：一是2nm TCTA與2nm TmPyPb中間層同時插入，保證了更多的激子在藍色發光層中退激輻射發光；二是雙中間層導致B和C兩種器件中存在的能量轉移導致的發光強度增強效果同時出現在器件D中，使得激子被傳輸到各個發光層均輻射發光。

圖6是4種器件的J-V-L特性曲線圖。電流密度的差異性來源于中間層的引入，還與不同的中間層和中間層數量有關。器件D最厚，內阻較大，使得在相同電壓下其電流密度與其余3種器件相比最低。器件A最薄，電流密度最大，B由于中間層與相鄰兩發光層主體材料一致，載流子注入更平衡，電流密度高于器件C。器件A由于能量轉移，激子在所有發光層內復合發光，激子濃度較低，發光強度最弱。中間層阻礙了C中三線態激子向藍色發光層轉移，同時藍色發光層中有部分激子可運動到TmPyPb中，激子濃度低于器件B，因此發光強度低于器件B?？傊?，器件D發光強度最大。

圖5 器件D的EL光譜Fig.5 EL spectra of device D

圖6 器件的J-V-L特性曲線Fig.6 J-V-L characteristics of the devices

圖7是器件的E-V特性曲線，器件A、B、C、D的最大效率分別為28.25，25.33，26.88，22.56cd/A。器件的最大發光效率隨中間層數量下降，這是因為中間層可以直接調節載流子分布以及影響能量轉移使得存在中間層的器件與無中間層器件相比，激子被限制在某些區域內，利用率下降，發光效率較低。B器件最大發光效率不及C則是因為C器件中藍綠發光層主體材料相同，客體材料之間形成共振，激子能夠更高效地被利用。4種器件均是隨電流密度增加達到峰值后開始下降，主要有兩方面的原因：一是電子和空穴在越過勢壘之后隨電流密度增加出現了三線態極化子湮滅效應[22]；二是電流密度較高時出現激子聚集導致猝滅效應發生。在后續大電壓的情況下，D器件開始逐漸擁有最大發光效率，這是由于器件D有雙中間層的存在，三線態激子猝滅效應低于器件A、B、C。表1為4種器件在不同電流密度下的CIE。

圖7 器件的E-V特性曲線Fig.7 E-V characteristics of the devices

表1 器件在不同電流密度下的CIE坐標Tab.1 CIE coordinates of the devices in different current density respectively

4 結 論

本文通過在一種三原色白光OLED結構中相鄰發光層之間插入中間層，系統研究了中間層對器件能量轉移、激子產生和復合等內在物理機制的影響。研究發現，無中間層的器件與只在藍色與綠色發光層之間插入2 nm TmPyPb中間層的器件發光主要成分均為紅光，后者藍光成分強于前者；只在藍色與紅色發光層之間插入2 nm TCTA中間層，器件發光成分主要為綠色和藍色，紅色發射比例較低；各發光層之間均插入中間層，器件發光成分主要為藍色與綠色，實現了較好的白光發射，獲得了發光效率達22.56 cd/A、色坐標接近標準白光的三原色混合白光器件。研究表明，中間層的引入可以調整激子的分布，影響能量轉移，進而影響三原色白光器件的發光性能。

參 考 文 獻：

[1] SERVICE R F.Organic LEDs Look forward to a bright, white future [J].Science, 2005, 310(5755):1762-1763.

[2] UDAGAWA K, SASABE H, CAIC,etal..Low-driving-voltage blue phosphorescent organic light-emitting devices with external quantum efficiency of 30% [J].Adv.Mater., 2014, 26(29):5062-5066.

[3] 王振, 陳雙文, 周翔.高效率有機藍光和白光電致發光器件 [J].發光學報, 2011, 32(7):715-719.

WANG Z, CHEN S W, ZHOU X.Study on efficient blue and white organic light-emitting devices [J].Chin.J.Lumin., 2011, 32(7):715-719.(in Chinese)

[4] 胡俊濤，程群，余承東，等.Bphen摻雜Cs2CO3作為電子傳輸層對OLED器件性能的影響 [J].液晶與顯示, 2015, 30(6):943-948.

HU J T, CHENG Q, YU C D,etal..Impact of Bphen doping Cs2CO3as electron transport layer on the performance of OLEDs [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2015, 30(6):943-948.(in Chinese)

[5] 胡俊濤, 宗艷鳳, 鄧亞飛, 等.溶液法制備SimCP∶FIrpic摻雜的藍色磷光器件 [J].液晶與顯示, 2015, 30(2):240-245.

HU J T, ZONG Y F, DENG Y F,etal..Solution processible SimCP:FIrpic doped blue phosphorescent devices [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp., 2015, 30(2):240-245.(in Chinese)

[6] RAUPP S M, MERKLEIN L, PATHAK M,etal..An experimental study on the reproducibility of different multilayer OLED materials processed by slot die coating [J].Chem.Eng.Sci., 2017, 160(160):113-120.

[7] MIN Y K, LEE J H, JI G J.Fabrication and characterization of high luminance WOLED using single host and three color dopants [J].KoreanJ.Mater.Res., 2016, 26(3):117-122.

[8] WANG K, GAO Z, MIAO Y,etal..Improved color stability of complementary WOLED with symmetrical doped phosphors in single host：experimental verification and mechanism analysis [J].RSCAdv., 2017, 7(54):33782-33788.

[9] LI X L, XIE G, LIU M,etal..High-efficiency WOLEDs with high color-rendering index based on a chromaticity-adjustable yellow thermally activated delayed fluorescence emitter [J].Adv.Mater., 2016, 28(23):4614-4619.

[10] WU Z, YU L, ZHOU X,etal..Management of singlet and triplet excitons：a universal approach to high-efficiency all fluorescent WOLEDs with reduced efficiency roll-off using a conventional fluorescent emitter [J].Adv.Opt.Mater., 2016, 4(7):1067-1074.

[11] HENWOOD A F, BANSAL A K, CORDES D B,etal..Solubilised bright blue-emitting iridium complexes for solution processed OLEDs [J].J.Mater.Chem.C, 2016, 4(17):3726-3737.

[12] KIDO J, HONGAWA K, OKUYAMA K,etal..White light-emitting organic electroluminescent devices using the poly(N-vinylcarbazole) emitter layer doped with three fluorescent dyes [J].Appl.Phys.Lett., 1994, 64(7):815-817.

[13] LEI G, WANG L, QIU Y.Blue phosphorescent dye as sensitizer and emitter for white organic light-emitting diodes [J].Appl.Phys.Lett., 2004, 85(22):5403-5405.

[14] GAO C H, SHI X B, ZHOU D Y,etal..Highly efficient white organic light-emitting diodes with controllable excitons behavior by a mixed interlayer between fluorescence blue and phosphorescence yellow-emitting layers [J].Int.J.Photoenergy, 2013, 2013(2):110-119.

[15] SUN Y, FORREST S R.High-efficiency white organic light emitting devices with three separate phosphorescent emission layers [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(26):197-199.

[16] REINEKE S, LINDNER F, SCHWARTZ G,etal..White organic light-emitting diodes with fluorescent tube efficiency [J].Nature, 2009, 459(7244):234-241.

[17] SONG D, ZHAO S, LUO Y,etal..Causes of efficiency roll-off in phosphorescent organic light emitting devices：triplet-triplet annihilation versus triplet-polaron quenching [J].Appl.Phys.Lett., 2010, 97(24):268-270.

[18] SCHWARTZ G, FEHSE K, PFEIFFER M,etal..Highly efficient white organic light emitting diodes comprising an interlayer to separate fluorescent and phosphorescent regions [J].Appl.Phys.Lett., 2006, 89(8):083509-1-3.

[19] KAWAMURA Y, BROOKS J, BROWN J J,etal..Intermolecular interaction and a concentration-quenching mechanism of phosphorescent Ir(III) complexes in a solid film [J].Phys.Rev.Lett., 2006, 96(1):017404.

[20] REINEKE S, SCHWARTZ G, WALZERK,etal..Reduced efficiency roll-off in phosphorescent organic light emitting diodes by suppression of triplet-triplet annihilation [J].Appl.Phys.Lett., 2007, 91(12):123508-1-3.

[21] BALDO M A, O'BRIEN D F, THOMPSONM E,etal..Excitonic singlet-triplet ratio in a semiconducting organic thin film [J].Phys.Rev.B, 1999, 60(20):14422-14428.

[22] O’BRIEN D, BALDO M, THOMPSON M,etal..Improved energy transfer in electrophosphorescent devices [J].Appl.Phys.Lett., 1999, 74(3):442-444.