半透明陰極對藍光頂發(fā)射器件光電性能的影響.doc

第四章 半透明陰極結構對于頂發(fā)射藍光器件光電特性影響的研究頂發(fā)射器件陽極一般采用高反射率的金屬，而陰極使用低功函數(shù)且半透明的ITO或者金屬等。由于采用濺射方法生長ITO容易破壞有機層，且工藝相對復雜，所以更多的頂發(fā)射陰極采用半透明金屬。諸如金屬Ca、Mg、Al、Ag等可以通過真空蒸鍍生長，且電導率高、電子注入勢壘小，使他們成為頂發(fā)射器件陰極的首選15, 16, 30 。當然，上述金屬材料也存在各自的缺點，如Ca、Mg的化學性質活潑，在空氣中不穩(wěn)定；Al、Ag的透光性差等。本章使用半透明Ag作為頂發(fā)射器件的陰極，其具有穩(wěn)定性好、在可見光范圍吸收小、電阻率小、容易蒸鍍成膜等優(yōu)點。然而，由于Ag的功函數(shù)較高（4.6eV左右），與有機電子傳輸材料之間的注入勢壘較大，需要增加一層緩沖層以改善電子注入性能、降低開啟電壓。由于Ag的透光性相對較差，我們最終選擇釤（Sm）作為緩沖層降低器件開啟電壓，結合其透光性較好、功函數(shù)低（2.7 eV）以及性質穩(wěn)定等優(yōu)點，Sm的引入擬能改善頂發(fā)射器件的光電性能。圖4.1為通過轉移矩陣理論模擬的金屬Sm與Ag在20 nm時的反射率和透射率曲線。從圖中我們可以看出，相同厚度下的Sm的透過率在可見光區(qū)域比Ag高1-2倍，反射率要低4-5倍，受圖中的數(shù)據(jù)啟發(fā)，本章設計一組實驗通過對Sm/Ag組合陰極中金屬Sm與Ag厚度的調節(jié)來抑制頂發(fā)射藍光器件的微腔作用，進而優(yōu)化器件的光電性能。472nm的材料發(fā)射峰附近，Sm的透射率高于Ag，但相差不是很大，說明兩種材料對光的輸出的限制是相似的。反射率相差很大，說明兩種材料對光譜的影響有較大區(qū)別。Ag膜會導致明顯的微腔效應，而Sm則幾乎沒有反射。另外，可能Sm的吸收比Ag大。長波段，Sm的透過率遠高于Ag圖4.1 20 nmSm和Ag下的反射率和透射率曲線4.1 實驗儀器及測試設備采用南京郵電大學參與設計研制的沈陽市超高真空應用技術研究所生產的全封閉交叉式真空成膜機系統(tǒng)進行有機薄膜與金屬膜的蒸鍍。系統(tǒng)分金屬室、有機室、預處理室，一般分別用來生長金屬、有機物、處理基片。薄膜厚度和生長速率均由頻率計控制。器件的電致發(fā)光光譜、亮度、色度以及電流、電壓特性采用由美國PR655亮度、光譜測試儀，美國Keithley-2400 電流電壓測試儀組成的測試系統(tǒng)進行同步測量。所有的測試都是在室溫大氣中進行的。薄膜的反射率、透射率均由島津公司（SHIMADZU）生產的紫外分光光度計UV-3600測量。材料光致發(fā)光光譜由島津公司生產的熒光光度計RF-5301測量得到。4.2 樣品的制備實驗中采用玻璃作為襯底。首先將襯底分別用丙酮、乙醇、去離子水反復擦洗，再用丙酮、乙醇、去離子水分別超聲10分鐘，在烘箱100攝氏度烘烤10分鐘。烘干后把襯底送到金屬室中。待真空度達到10-6 Torr時開始生長厚度為70nm的Ag陽極（反射率達到80以上）。在生長的過程中系統(tǒng)的真空度維持在10-6 Torr左右。材料生長的厚度和生長速率由頻率計實時監(jiān)控，通常材料的生長速率控制在0.10.2 nm/s左右。Sm/Ag電極用掩膜的方法在真空蒸鍍金屬室中生長。實驗中所采用的有機材料的化學結構和器件的結構如圖(4.2)所示。其中，m-MTDATA、 NPB、 CBP、FIrpic和BPhen 分別作為空穴注入層、空穴傳輸層、藍光母體材料、藍光磷光發(fā)光材料和電子傳輸材料。Sm/Ag 組合層作為作為頂發(fā)射器件的陰極。MoO3 為空穴注入層，我們所用MoO3的純度大于99.9%，是一種淡綠色粉末狀固體，可以直接在鉬舟中加熱生長。圖4.2 頂發(fā)射器件的結構及實驗中所采用有機材料的化學結構4.3 器件的光電特性測量及分析圖4.3為利用轉移矩陣理論模擬的在不同Sm、Ag厚度比例下器件的反射率、透射率曲線。由前章節(jié)可知，激子主要集于藍光母體材料CBP中，并距離與空穴傳輸材料NPB的界面5 nm。因此本章中光通過CBP (25 nm)/BPhen (40 nm)/Sm (X nm)/Ag (Y nm)的膜系后射出，由于摻雜的客體材料FIrpic較少，忽略其對光的反射及透射的影響。未引入Sm時，器件在FIrpic的主發(fā)射峰472 nm處反射率、透射率分別為60 %和27 %。隨著Sm厚度的增加，器件整體的反射率逐漸下降，透射率逐漸上升。當Sm的厚度增加到15 nm、Ag的厚度降低到15 nm時，器件在FIrpic主發(fā)射峰472 nm處的反射率、透射率分別改善為24%和37%。在此我們設計了三組器件，其中Sm的厚度分別為5（器件A）、10（器件B）、15（器件C）nm，同時改變Ag的厚度，以保證Sm/Ag電極總厚度保持30 nm不變。隨著Sm的增加，Ag的減小，透射率增大，但增加較少，而反射率則迅速降低且減少很大。圖4.3 不同Sm、Ag厚度時多層結構Ag (70 nm)/MoO3 (3 nm)/m-MTDATA (25 nm)/NPB (10 nm)/CBP (25 nm)/BPhen (40 nm)/Sm (X nm)/Ag (Y nm)的反射率和透射率曲線圖4.4為器件A、B、C在10V下的歸一化EL光譜。當Sm厚度為5 nm、Ag厚度為25 nm時，器件A的EL光譜有三個峰值，分別為472、504、538 nm，在上一章已經詳細分析過。其中538 nm處的峰值是由多光束干涉引起的，明顯強于472 nm處的藍光材料的發(fā)射峰值，這對頂發(fā)射藍光器件的色純度影響較大。計算中我們發(fā)現(xiàn)Sm的厚度的增加大幅度降低器件在可見光范圍內的反射率，所以，從器件B和C的EL光譜可以看到，隨著Sm從5 nm增加到10、15 nm以后，器件在538 nm處的多光束干涉峰被充分抑制，而472 nm處的峰值強度則相對被提高，器件C中472 nm處的峰值強度已經超過BEOLED的峰值，與藍光客體材料FIrpic的PL光譜相當。光譜半高寬也從器件A的107 nm窄化到器件B、C的69和59 nm，相比BEOLED的半高寬77 nm，器件C的半高寬還要窄18 nm。器件A、B和C在10 V下色坐標參考圖4.5，從圖中可看出，器件A、B和C的色純度分別為（0.25, 0.45）、（0.16, 0.38）和（0.20, 0.39），其中B的色純度最好，優(yōu)于BEOLED的（0.20, 0.41）說明Sm厚度的提高，對改善藍光頂發(fā)射器件光譜及色坐標有顯著效果。圖4.4 器件A、B、C在10 V下的歸一化EL光譜及相同器件結構的底發(fā)射EL光譜，藍光發(fā)光材料FIrpic的PL光譜圖4.5 器件A、B、C及BEOLED在10V下的色坐標變化圖圖4.6為8 V下器件A、B、C 隨視角變化的EL光譜。從圖4.6（a）看出，器件采用Sm (5 nm)/Ag (25 nm)作為電極時，光譜隨著視角的變化改變明顯，不僅光譜峰值強弱有變化，半高寬也逐漸降低。這種不穩(wěn)定的光譜變化，很不利于其在全彩顯示中應用。隨著Sm厚度的增加，器件B中光譜隨視角的變化很小，只是在光譜峰值相對強弱上略有變化。在圖4.6（c）中，我們看出，當金屬Sm的厚度增加到15 nm時，光譜隨視角變化很小，幾乎不變。通過半透明組合陰極厚度比例的調節(jié)，我們得到了光譜視角穩(wěn)定性很高的頂發(fā)射藍光器件，這對其在全彩顯示中的應用提供了寶貴的借鑒。圖4.6 器件A（a）、B（b）、C（c）在不同視角下的EL光譜圖4.7為器件的電壓與亮度、電流密度曲線。從圖4.7（a）可以看出，隨著Sm厚度的增加，相同電壓下器件電流密度逐漸下降，特別是當Sm從5 nm增加到15 nm時，器件在14 V時的電流密度從器件A的480 mA/cm2降低到器件C的186 mA/cm2，說明組合陰極Sm/Ag的導電性隨著Sm的厚度增加而降低，這就導致在圖4.7（b）中，在相同電壓下，器件亮度逐漸下降。圖4.8為器件的電流效率與電流密度的關系，同樣可以看出，Sm厚度的增加使最大電流效率從器件A的3.8 cd/A，降到器件C的1.5 cd/A?？梢缘贸?，雖然Sm厚度的增加減少了陰極的反射、增加了透射，但是由于其導電性較差，使得電子注入能力下降，從而影響了器件的亮度、電流密度以及電流效率。圖4.7 器件A、B、C電流密度與電壓（a）、亮度與電壓的關系（b）圖4.8 器件A、B、C的電流效率與電流密度的關系4.4 結論本章通過對Sm/Ag組合半透明金屬陰極中Sm和Ag厚度比例的調節(jié)，制備了光譜性能穩(wěn)定的頂發(fā)射藍光器件，該器件的EL光譜幾乎不隨視角改變。優(yōu)化的組合陰極結構Sm (15 nm)/Ag (15 nm)同時獲得了色度更佳的藍光，色坐標可達到(0.16, 0.38)，甚至優(yōu)于底發(fā)