有效阴极结构和空穴缓冲层的有机电致发光器件

徐维，罗钰，王莉，袁俊文

（1.西安交通大学先进制造技术研究所，陕西 西安 710049；2.五邑大学数学物理系，广东 江门 529020）

有效阴极结构和空穴缓冲层的有机电致发光器件

徐维1，2，罗钰1，王莉1，袁俊文1

（1.西安交通大学先进制造技术研究所，陕西 西安 710049；2.五邑大学数学物理系，广东 江门 529020）

在有机电致发光器件的电子传输层与注入层之间，以m-MTDATA作为HIL，使用三氧化钼（MoO3）插入超薄层LiF-Al-Alq3，有效促进电子注入；然后，从热动力学引发化学反应，生成n型Alq3掺杂物和促进电子注入的角度进行解释.用MoO3作为空穴注入缓冲层，插入到空穴注入层与传输层之间，利用其最高被占用分子轨道适合作缓冲层的特点，提高空穴注入能力.改善载流子注入后，电流效率、功率效率及亮度分别提高了64％，101％和63％，电压下降26％.

有机发光器件；阴极结构；载流子；缓冲层

有机电致发光器件（OL EDs）在平板显示领域的应用备受推崇.高效的载流子注入及载流子之间的有效平衡，是实现OLEDs性能稳定、高效率、低电压的关键.紫外线和嗅氧等离子体处理方法［1-2］增加了ITO（铟锡金属氧化物）的表面功函数，但其数值与通用空穴传输层材料的最高被占用分子轨道（HOMO）仍有差距.使用CuPc，Starburst Polyamines或PEDT：PSS等作为缓冲层［1，3-4］，可以有效地降低ITO与空穴传输层（HTL）之间的势垒，促进空穴注入.使用FeCl3［4］，SbCl5［5］及互掺过渡层［6］等对HTL进行掺杂，也可以促进空穴注入.在电子注入方面，通常使用低功函数金属作为阴极，在阴极与电子传输层（ETL）之间插入厚度超薄的LiF作为缓冲层，促进电子注入.与无机半导体材料相比，有机半导体材料的载流子传输能力很弱；而在有机材料中，电子的传输能力又弱于空穴的传输能力.使用超薄层LiF-Al-Alq3，能够有效地提高顶发射器件的电子注入［7］.将缓冲层材料直接用阳极和HTL之间已有报道，但将空穴注入缓冲层插入在空穴注入层（HIL）和HTL之间的应用很少.NPB作HTL，m-MTDATA的最高被占用分子轨道（HOMO）为5.1eV［8］，介于ITO阳极的功函数（4.8eV）［9］与NPB的HOMO（5.5eV）［10］之间，具有促进空穴从ITO向NPB注入的作用.MoO3的HOMO介于m-MTDATA与NPB的HOMO之间，能够促进空穴从m-MTDATA向NPB注入.将超薄层LiF-Al-Alq3插入到ETL和LiF之间，可促进电子注入.本文研究将m-MTDATA作为HIL，使用三氧化钼（MoO3）作为缓冲层，插入到HIL与HTL之间，促进空穴注入.

1 实验部分

依次用去污粉和去离子水冲洗ITO导电玻璃，并采用等离子体和紫外线进行表面处理；然后，在133.322μPa的真空室内蒸镀有机层和阴极.蒸发速度及厚度采用石英晶片检测测量，器件发光面积为0.25cm2，电压-电流特性及亮度用Keithley 2400型程控数字源表（美国吉时利公司）测量.

器件结构为ITO/4，4′，4″-tris（3-methylphenylphenylamono）triphenylamine（m-MTDATA）（40nm）/MoO3（0，0.5，1，3，6，10nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50m）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）.Alq3用作发光层（EML），BPhen用作电子传输层（ETL），LiF和Al分别用作电子注入层（EIL）和阴极.

2 结果与讨论

制备了6个系列器件，其结构分别如下：

（1）控制器件.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen：（50nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件A.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件B.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0.5nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件C.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（1nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件D.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（3nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）；

器件E.ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0nm）/NPB（10nm）/Alq3（20nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/LiF（0.5nm）/Al（130nm）.

制备控制器件的目的，是为了与其他器件比较，其厚度设计并未追求最优化.使用BPhen作 ETL是因利用其电子迁移率高，有利于电子传输的特点［11］.器件的电流密度（J）-电压（V）曲线、电流效率（E）-电流密度（J）曲线，以及功率效率（P）-电流密度（J）曲线，分别如图1，2，3所示.

与控制器件相比，器件A的电流、功率效率及亮度都获得明显提高，但电压下降.表明，超薄层LiF-Al-Alq3能够明显改善电子注入.在使用MoO3后，器件性能表现为先明显提高，而后提高不明显，甚至没有改善效果的现象.

图1 器件的电流密度-电压曲线Fig.1 Current density versus voltage characteristics of the devices

图2 器件的电流效率-电流密度曲线Fig.2 Current efficiency vs.current density characteristics of the devices

图3 器件的功率效率-电流密度曲线Fig.3 Power efficiency-current density characteristics of the devices

如器件B的电流和功率效率比器件A有相当程度的提高，电压也明显下降.说明，使用MoO3改善了器件性能.器件C、器件D和器件E相应的性能指标又比器件B有明显提高，表明器件性能与MoO3厚度有关.但器件C，器件D和器件E的性能并没有因为MoO3厚度的继续增加而获得显著改善，而是表现为性能比较接近，趋于饱和.

这可能是，m-MTDATA的HOMO（5.1eV）［8］与NPB的HOMO（5.5eV）［10］之间有0.4eV的势垒，MoO3的HOMO为5.3eV［12］，可以有效地降低m-MTDATA/NPB界面的势垒，促进空穴注入，使器件性能改善.

在200A·m-2时，相比于控制器件，其电流效率、功率效率及亮度分别提高了64％，101％和63％，而电压下降了26％.这种器件性能的明显改善得益于使用超薄层LiF-Al-Alq3及MoO3后，电子及空穴两种载流子的注入能力提高.

制备系列单载流子器件，以分析性能改善原因.单空穴器件结构为ITO/m-MTDATA（40nm）/MoO3（0，0.5，1.0，1.5，3.0，8.0nm）/NPB（10nm）/Al（130nm）；单电子器件结构为ITO/BCP（5nm）/BPhen（50nm）/LiF-Al-Alq3（1nm）/Al（130nm）.单电子器件中BCP的HOMO为6.7eV［13］，可阻止空穴进入ETL.单载流子器件电流密度（J）-电压（V）曲线的比较，如图4所示.

图4 单载流子器件电流密度-电压曲线Fig.4 Current density versus voltage curves of only devices

从图4可发现，MoO3厚度为0.5，1.0nm时，电流密度明显上升，证明MoO3能够有效促进空穴注入；而MoO3厚度为1.0，3.0，8.0nm时，电流密度变化不明显.这是由于MoO3与有机层接触面积增大所致［14］.

在单电子器件电流密度-电压曲线中，应用超薄层LiF-Al-Alq3后，电流密度上升显著，表明LiF-Al-Alq3有明显改善电子注入的作用.单空穴器件在厚度为1.0，3.0，8.0nm时，电流密度与使用LiF-Al-Alq3超薄层后单电子器件的电流密度接近，说明注入获得改善的电子与空穴达到了有效的载流子平衡.这种情况与图2，3及4中完整器件的性能表现相吻合，进一步证明了有效的载流子平衡促进了器件性能的改善.

从热动力学的角度而言，LiF-Al-Alq3层会发生如下反应［15］

形成了一层很薄n型掺杂Alq3，促进了电子注入.一层超薄的Al（1.0nm）覆盖在LiF或Alq3上足以诱发这样的反应［15］，反应层可以是1.0nm或更薄.因此，超薄层LiF-Al-Alq3作为复合空穴注入层放置于不同的有机层和阴极之间是可行的.

3 结束语

使用LiF-Al-Alq3超薄层，有效地促进了电子注入.利用MoO3的HOMO适于作空穴注入缓冲层的特点，将其放置于空穴注入层与传输层之间，提高了空穴注入能力.相比于控制器件，其电流效率、功率效率及亮度分别提高了64％，101％和63％，而电压下降了26％.通过单载流子器件电流密度-电压曲线的对比，可知有效的载流子平衡使得器件性能得于改善.

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Organic Light-Emitting Diodes Based on Effective Cathode Structure and Hole Buffer Layer

XU Wei1，2，LUO Yu1，WAN G Li1，YUAN Jun-wen1
（1.Advanced Manufacturing Technology Research Institute，Xi’an Jiaotong University，Shanxi 710049，China；2.Department of Mathematics and Physics，Wuyi University，Guangdong 529020，China）

Based on using m-MTDATA as HIL，electron injection was promoted by using MoO3，inserting ultrathin layer Alq3-LiF-Al between electron transport layer and injection layer of organic light emitting devices；it’s explained from the point of view that thermal dynamics induced chemical reaction which generated n-type doping Alq3and the facilitated electron injection.With its characteristics that the highest occupied molecular orbital is suitable for buffer layer，MoO3was used as hole injection buffer layer，inserted between the hole injection layer and the transport layer，to improve hole injection ability.After carrier injection was improved，the current density，power efficiency and luminance are increased by 64％，101％and 63％respectively，while the voltage was reduced by 26％.

organic light-emitting diodes；cathode structure；carriers；buffer layer

TN 383+.1

A

1000-5013（2010）04-0396-04

（责任编辑：鲁斌 英文审校：吴逢铁）

2010-01-14

徐维（1973-），男，讲师，博士，主要从事有机电致发光的研究.E-mail：greatyouth@yeah.net.

国家自然科学基金资助项目（50805117）；陕西省西安市应用材料创新基金资助项目（XA-AM-200804）；中国博士后科研基金资助项目（20090461297）