NPB厚度对白光OLED性能的影响研究

引言

近年来，由于全球能源危机的影响，白光OLED的研究越来越受到科学界和研究人员的广泛重视，因为它不仅能够作为新一代的照明光源，而且还可以作为固体光源应用于制造全彩显示器和显示器的背光源。它具有节能、环保、可卷曲、轻薄和驱动电压低等诸多优点，因此受到业界人士的关注。白光OLED的获得大都通过混合三种颜色(红、绿、蓝)的小分子、聚合物或磷光材料或两种补偿色(天蓝和橙黄)的材料到多层或单层结构中。大多数WOLED都采用堆叠式结构或者单发光层多掺杂剂的结构。

目前国内外的研究人员用不同方法制备了白光器件，如用聚合物PVK作为主体材料掺杂蓝光染料和橙红光染料的单一发光层，没有空穴注入层和空穴传输层，阴极采用Mg2Ag合金阴极，这一方法制备出来的白光器件具有较好的白光发射，但是亮度和发光效率都较低，器件性能较为不好。国内的研究人员也做过一篇调整空穴传输层NPB(4,42N,N2bis2N212naphthy12N2pheny12amino2bipheny1)的厚度改善蓝光OLED器件性能的文章，得出亮度会随厚度的增加而增加，对应的发光效率也有很大变化，从而得出厚度对器件的发光性能影响很大。后来有人用了多发光层结构制备白光器件，通过调整空穴传输层的厚度使器件的性能有了较大改善，但是对比以ADN为主体掺杂两种染料的单发光层，其结构复杂，操作程序繁琐，控制误差较大，同时发光层多，厚度增加，启亮电压增大，效率降低。

实验采用ADN作为主体材料，掺杂红光和蓝光染料的白光OLED体系制备器件，结果表明：这种结构制备出来的白光OLED器件具有较好的色稳定性，并且发光效率也较高。曾有文章讨论了发光层中的红光掺杂剂DCJTB的掺杂浓度对器件性能的影响，并得出了白光OLED的较佳掺杂浓度的器件。本文将进一步讨论空穴传输层NPB厚度对基于ADN体系的白光OLED性能的影响，并对器件做进一步的优化，这对白光照明及显示的制备具有一定的指导作用。

1　实验

实验用材料为西安瑞联近代电子材料有限公司的OLED专用高纯化学品，对所用ITO导电玻璃基片进行了严格的清洗流程，分别用洗涤剂溶液、丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水超声清洗10min,然后在真空干燥箱中烘干。再将清洁而且干燥的ITO玻璃基片移入OLED2V型有机多功能真空成膜设备预处理室，在500V电压下进行氧等离子体溅射处理5min,这样有利于除去ITO表面的碳污染，并提高ITO的功函数，有利于空穴从ITO电极注入到有机材料中。预处理后的基片传入真空腔体，有机材料和金属阴极都在真空度为610×10-4Pa下依次进行蒸镀，有机材料的蒸发速率为012nm/s,阴极Al/LiF的蒸发速率为1nm/s,使用SI2TM206型六通道膜厚监测仪进行实时控制。

电子传输层采用Alq3,是因为它具有高的电离能EA(约310eV)和电子亲和能Ip(约5195eV)以及好的热稳定性和化学稳定性，量子效率高且能够通过真空蒸镀的方法形成高质量无针孔的薄膜。发光层用两种荧光材料蓝与红掺杂在主体材料ADN中，形成白光发射。

TBPe是蓝色发光材料，能够有效地传输电子并且有效地阻止激基复合物的形成，提高效率。相关文献表明DCJTB是目前最佳红色染料，用DCJTB作为辅助掺杂剂，器件表现出了稳定的电致发光EL效率。器件的结构以及能级结构图如图1所示。

图1　器件结构与能级结构图

实验制备了四组OLED器件

A)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(15nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

B)ITO/22TNATA(30nm)/NPB(15nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

C)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(35nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm);

D)ITO/22TNATA(15nm)/NPB(40nm)/

ADN(30nm)：TBPe(2%)：DCJTB(1%)/

Alq3(20nm)/LiF(1nm)/Al(100nm)。

在室温、大气环境下，测试以上四组未封装器件，发光亮度采用ST2900B型光度计测量，器件的电致发光(EL)光谱特性使用杭州远方光电信息有限公司的PMS280光谱分析系统进行测试，I2V特性曲线用直流电源DCPowerSupplyPS23003D进行测量。

2　结果与讨论

从图2中可以看出，四组器件的电流密度和发光亮度均随驱动电压的增加而增大，并且在高电场强度与正偏电压呈指数关系，表现出典型的二极管整流特性。器件的电流密度和亮度随着空穴传输层NPB厚度的变化而变化。当NPB的厚度分别为15,30和35nm时，电流密度相似，发光亮度随着厚度的增加而逐渐增大，到35nm时亮度达到最大值14020cd/m2,击穿电压为1318V,当NPB厚度再增加到40nm后，电流密度突然下降，随之器件的发光亮度也显着下降，当下降到7790cd/m2,此时击穿电压为1313V。这一现象说明，NPB作为空穴传输层材料不能太厚，否则会影响载流子传输，降低器件的发光效率。图2同时由表1也可以看出，随着NPB厚度的增加，四组器件的启亮电压和击穿电压都逐渐增大，而电流效率(ηL)和功率效率(ηP)也都逐渐增加，到厚度35nm时为最佳值，分别为7181cd/A和2194lm/W;当厚度增加到40nm时，发光效率则明显下降，此时最大电流效率在电压为9V时为4181cd/A,功率效率为2173lm/W,功率效率的值均在电流密度为2815mA/cm2处获得。

图2　器件的电流密度-电压(J2V)，亮度-电压(L2V)与亮度-电流密度(L2J)特性曲线

表1　四组器件的电致发光性能

同样，从图2(c)电流密度与亮度的关系曲线中看出，四组器件的发光亮度随电流密度的增加而增大，在同一电流密度下，NPB的厚度为35nm时器件的亮度最大，30nm其次，15nm时的亮度也达到了11650cd/m2,最低亮度7790cd/m2是NPB厚度为40nm时器件的亮度，总之对比同一电流密度下各个器件的发光亮度，仍然是NPB厚度为35nm时器件的发光性能最佳。另外，封装后经实验测得，采用以ADN作为主体材料，掺杂红光和蓝光染料体系制备的白光OLED器件其可靠性较好，表现出较好的色稳定性。

由此可以得出：增加NPB的厚度可以提高器件的发光效率和亮度，对于有机小分子发光器件来说，电子传输层的迁移率比空穴传输层的迁移率要小两个数量级。一般的器件电荷都是不平衡的，电子是少子。然而虽然在NPB层中空穴的迁移率较高，考虑了空穴在薄的NPB层中隧穿效应的影响，增加NPB层厚度能够很好地匹配到达载流子复合区域的空穴数量，使电子和空穴的注入达到平衡。器件在初始发光时，复合区域内部电子的数目与空穴的数目相匹配，这是提高器件效率的重要原因。但是NPB太厚了发光效率会下降也是同样的道理。可以推测：在器件C中，电子和空穴的注入达到了更为平衡的趋势，激子辐射跃迁的概率最大。器件效率较高的另外一个原因是用于蓝光发射的NPB层较厚，为NPB激子的形成、扩散和辐射衰减都提供了充分的空间和充足的能量。

图3　四组器件在2815mA/cm2下的电致发光(EL)光谱

图3所示为四组器件在2815mA/cm2下的电致发光(EL)光谱。从图中可以看出，随着NPB厚度从15nm增加到40nm,四组器件的颜色也稍微发生了变化，但都处于白光区域。15nm时的色坐标位于(013446,013175)处，器件发白光偏黄色，发光效率为2142lm/W,发光谱峰在463nm和567nm处，在492nm处伴有微弱的尖峰。当NPB厚度为30nm时，器件发标准白光，色坐标位于(013016,013385)处，接近白光中心点，发光效率为2161lm/W,发光谱峰在464nm和564nm处，在493nm处伴有微弱的尖峰，红光成分明显减少。

012715,013139)，发光颜色偏蓝光，此处发光效率最大，为2194lm/W,发光谱峰在463nm和563nm处，在492nm处伴有微弱的尖峰，红光成分进一步减少。当NPB厚度为40nm时，色坐标为(012748,013129)，发光颜色仍然是白光偏蓝色，发光效率为2173lm/W,发光谱峰在462nm和565nm处，在491nm处伴有微弱的尖峰。

NPB层的厚度有效地调节了载流子复合区域的位置并且改变了器件的发光颜色，图中四组器件的前半个谱峰基本重合，与蓝光材料TBPe的双峰波长相近，因此考虑是TBPe的蓝光发射贡献。但是后半个谱峰随着NPB厚度的增加其高度各不相同，然而波峰位置都在565nm左右，这可能是由于器件中的绿光材料Alq3和红光材料DCJTB叠加产生的结果，高度不同说明掺杂的红光材料DCJTB在四组器件中的比重随着NPB膜层厚度的不同在发生变化，以致影响了四组器件的发光颜色。当NPB层的厚度为15nm时，DCJTB红光发射较强，比重较大，红光绿光蓝光的比重分别为1314%,7914%和712%,因此器件颜色偏黄。随着NPB厚度的增加，当厚度在30nm时，红光发射减弱，比重减少，红绿蓝分别为1117%,7813%和919%,器件调整成标准的白光器件，色坐标几乎和白色等能点重合;当NPB层的厚度在35nm以上时，DCJTB红光发射进一步减弱，比重减少，而TBPe的蓝光发射变强，红绿蓝比重分别为1011%,7717%和1212%,所以器件为白光偏蓝色。可用微腔效应来解释这一结果，OLED器件极易受到微共振腔体光学干涉效应的影响，尤其是空穴传输层NPB厚度的影响，常常由于这些微小的膜厚因素的变化而导致器件电致发光性能的变化，其理论依据是微腔能对谐振波长和非谐振波长处的自发辐射起到增强和抑制作用，因此有机电致发光中的微腔不仅将材料的自发辐射光谱重新分布，而且有可能带来效率的提高。NPB厚度的增加可能会在NPB薄膜表面形成微腔效应，从而带来器件颜色和效率等电致发光性能的改变。

3　结论

通过实验可以得到如下结论：

(1)改变NPB的厚度对于堆叠式白光OLED性能影响很大。增加NPB厚度可以提高白光OLED器件的性能。当厚度为35nm时，亮度和发光效率都达到最大值，然而增加到40nm时，亮度和效率显着下降。

(2)增加NPB的厚度可以提高器件的发光效率和亮度，通过调节厚度能够很好地限制到达载流子复合区域的空穴数量，使电子和空穴的注入达到平衡。

(3)NPB层厚度的增加有效地调节了载流子复合区域的位置并且改变了器件的发光颜色。