Cs掺杂提高OLED效率与亮度的研究
【摘 要】为了有效的提高有机电致发光器件（OLED）的电子注入和传输能力，从而提高器件的亮度和效率，本文利用碱金属Cs作为n型掺杂剂，对电子传输材料Bphen进行掺杂。以热蒸镀的方式，制作了结构为ITO/HAT-CN/TAPC/Alq3/Bphen/Bphen：Cs/Al的掺杂器件，掺杂浓度为5%，同时，制作了未掺杂Cs的器件作为参考器件。实验表明，器件的开启电压仅为2.35V，在7V的驱动电压下，可以达到44700 cd/m2的最大亮度，是未掺杂器件的三倍以上，同时，电流效率达到最大值5.17cd/A，高于未掺杂器件。
【关键词】Cs；有机电致发光器件；亮度；电流效率
中图分类号： TN383.1 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）08-0065-002
Improved efficiency and luminance of organic light-emitting device by utilizing Cs doped
LIN Wen-yan
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）
【Abstract】In order to effectively improve the electron injection and transmission capability of organic light-emitting devices and to improve the luminance and efficiency of the organic light-emitting devices（OLED）， this article uses alkali metal Cs as an n-type dopant to dope in the electron transport material Bphen.Using the method of thermal evaporation，the structure of ITO/HAT-CN/TAPC/Alq3/Bphen/Bphen：Cs/Al was fabricated with a doping concentration of 5%. At the same time， an undoped Cs device was fabricated as a reference device . Experiments show that the doping device's turn-on voltage is only 2.35V. Under the 7V driving voltage， the maximum brightness reaches 44700 cd/m2， which is more than three times that of undoped devices. At the same time， the current efficiency reaches a maximum value of 5.17cd/A. which is higher than undoped devices.
【Key words】Cs；Organic light-emitting device； Luminance； Current efficiency
0 引言
随着科学技术的发展，自从由美籍华裔教授邓青云于1979年在实验室中发现有机电致发光器件（OLED）以后，陆续有不少研究人员投入有机电致发光器件的研究。如今，有机电致发光器件由于它轻薄，工作电压低，效率高，色域宽，发光均匀柔和，绿色环保，健康护眼等特点而越来越受到来自世界各国科研工作者以及生产商家的重视，逐渐应用在显示以及照明的领域，如三星推出了含有OLED的Galaxy Note3、Galaxy Round智能手机，LG集团推出Flexible Solutions Section的柔性照明技术等，在未来，有机电致发光器件也会有更好的发展前景。
经过各国研究者长时间的研究，在结构、材料等方面上做了各种改进，形成了现在阴、阳电极中间夹着空穴传输层、发光层、电子传输层等多层有机层的“三明治”结构[1]，亮度、效率得到了很大的提高。基本原理是在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，再迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子，激发辐射出可见光。电子传输材料的迁移率要比空穴传输材料的迁移率小2～3个数量级，因此如何增强电子的迁移率是目前OLED研究中的一个热点[2]。为了解决器件工作时空穴和电子数量不平衡问题，提高电子迁移率，可以利用电子传输材料掺杂的办法提高发光器件的性能。在之前的研究中，人们曾将低功函数的碱金属直接掺杂在电子传输层中，如Kido等人[3]利用Li掺杂在作为电子传输层的材料中，改善了器件的性能，而Cs是比Li更重的碱金属，预计金属原子扩散速率会更小[4]，效果会更好。本文讲述了利用n型掺杂剂Cs掺杂在电子传输层制备高亮度更高效的有机电致发光器件。
1 实验
实验思路：以4.6eV-5.2eV的高功函数、薄而透明且具半导体特性的铟锡氧化物（ITO）作为阳极[5]，以低功函数的Al金属作为阴极，以dipyrazino[2，3-f：2'，3'-h]quinoxaline-2，3，6，7，10，11-hexacarbonitrile（HATCN）作为空穴注入层，以1，1- Bis[4-[N，N′-di（p-tolyl）amino]phenyl]cyclohexane（TAPC）作为空穴传输层，Tris（8-hydroxy-quinolinato）aluminium（Alq3）作为发光层，4，7-diphenyl-1，10-Phenanthroline（Bphen）作榈缱哟输层，Bphen：Cs作为电子注入层，制作结构为：ITO/HAT-CN/TAPC/Alq3/Bphen/Bphen：Cs/Al的器件，其中，Bphen：Cs的掺杂浓度为5%。同时以结构为ITO/HAT-CN/TAPC/Alq3/Bphen/LiF/Al作为对比器件。 衬底的清洗及处理：依次加入清洗剂，就去离子水，酒精，在60℃的温度下用超声波清洗5-10min，再用干燥的氮气吹干，放入烘箱中烘干30min后，为了提高ITO中氧的含量，增大功函数，还要进行等离子处理[5]，再放入LN-162SA型多源有机气相沉积系统中。
实验操作与测量：把材料依次放入不同的坩埚中，接着关闭真空气室，开始抽真空，系统的真空度在1.0×10-4Pa以下时，通过升温控制速率，用热蒸镀的方式，依次蒸镀不同有机材料。本实验中OLED的有效发光面积是3×3mm2，实验的电压，电流，亮度等均由MAYA2000PRO、keithley2400程控电源及LS-110亮度计组成的测试系统进行测量，所有测量都是在充满氮气的手套箱中进行。
2 实验结果与分析
图1、图2和中给出了电流密度-电压和电压-亮度特性曲线，其中，可以看出，电流密度随电压的增大而增大，无论是掺杂还是没有掺杂Cs的器件，开启电压大约都仅仅在2.35V左右，说明二者器件的注入势垒相同，而掺杂Cs的器件亮度明显高于未掺杂器件，未掺杂器件在7.3V时达到最大亮度13420cd/m2，而掺杂Cs的器件仅在7V的时候达到最大亮度44700cd/m2，说明Cs掺杂极大的提高了器件的亮度，高效的将亮度提高到了原来的3.3倍。
图3是电流效率-电压特性曲线，从图中看出，在一定电压范围内，效率随电压的增大而增大，未掺杂器件在6.3V达到最大效率4.16cd/A，而掺杂器件在7V的时候可以达到最大效率5.17cd/A，证明掺杂Cs的器件提高了电子的迁移率，使得器件中空穴和电子的数量更加平衡，从而提高了器件的亮度和效率。
3 结论
本实验通过在电子传输层掺杂碱金属Cs，制作了OLED器件，结果表明，将Cs掺杂在电子传输层材料Bphen中，可以有效的改善电子的注入和传输能力，提高器件的亮度和效率。掺杂Cs的器件，开启电压仅为2.35V，在7V的驱动电压下，可以达到44700cd/m2的最大亮度，是未掺杂器件的三倍以上，同时，电流效率达到最大值5.17cd/A，也高于未掺杂器件。
【参考文献】
[1]陈伟华. 基于p-型掺杂空穴传输层的高效绿色磷光有机电致发光器件[D]. 太原理工大学， 2017.
[2]陆君福. 有机半导体载流子注入与传输性能的研究[D]. 陕西科技大学， 2010.
[3]Kido J， Matsumoto T. Bright organic electroluminescent devices having a metal-doped electron-injecting layer[J]. Appl.phys.lett， 1998， 73（20）：2866-2868.
[4]Lee J H，Wu M H， Chao C C，et al.High efficiency and long lifetime OLED based on a metal-doped electron transport layer[J].Chemical Physics Letters，2005，416（4）：234-237.
[5]沈吉明. 极用金属的功函数对OLED发光性能的影响[J]. 光电子技术， 2002， 22（2）：68-71.