石墨烯薄层对有机电致发光器件性能的影响

高永慧，路 莹，韩 强，张 刚，姜文龙

(吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000)

有机电致发光器件(organic light-emitting devices，OLEDs)具有自主发光、耗能低、宽视角、成本较低、效率高及显色指数高等诸多优点，早已引起学术界和产业界的高度重视［1-3］.近年来，OLEDs已初步进入产业化阶段，广泛地应用在小面积显示领域中.为满足大范围商业化应用的需求，降低成本，提高效率，研究人员从制备方法、结构设计以及新材料合成等角度进行研究［4-7］.Hou Jianhua 等［8］把MoO3/C60作为双空穴注入层应用倒置型顶发射OLEDs中，器件性能得到明显提高.Wu Xiaoming等［9］将C60/NPB:MoO3作为互连层应用在有机叠层器件中，制备了高效的OLEDs.

本课题组基于有机/无机杂化的思想，将无机材料CdS应用到OLEDs中［10］，取得较好的效果.石墨烯(Graphene)［11-12］因其特有的光电特性成为近年研究热点.石墨烯具有很高的载流子迁移率，据报道［13］达 200 000 cm2·(V·S)-1，非常好的传导性和透明度.石墨烯基本组分为碳元素，因此，石墨烯价格便宜，无污染.石墨烯的功函数(4.6 eV)和ITO的功函数(4.8 eV)比较接近，碳纳米管作为OLEDs的阳极已有报道［14］，石墨烯作为透明电极应用于OLEDs器件中也已有人开展了相关研究［15］，但尚未见将石墨烯薄层直接应用在OLEDs结构设计中的相关研究报道.为此，本研究将石墨烯薄层应用在OLEDs结构设计中，考察其在不同位置对OLEDs性能的影响.

1 试验

为了研究石墨烯薄层对有机电致发光器件性能的影响，不插入石墨烯薄层或将石墨烯薄层插入到不同位置构成4组器件，即 A(ITO/石墨烯(0.5 nm)/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))，B(ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))，C(ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/石墨烯(0.5 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))和D(ITO/NPB:石墨烯(10%)(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm)).

本试验研究是在前期试验基础上，选取石墨烯的最佳厚度为0.5 nm.这4组石黑烯器件的结构特点如下所示:器件A为在NPB和ITO之间引入石墨烯薄层(0.5 nm);器件B为标准器件，没有引入石墨烯;器件C为在LiF和Alq3之间引入石墨烯薄层(0.5 nm);器件D为在NPB中掺杂10%的石墨烯作为空穴传输层.器件中Alq3和NPB的化学结构如图1所示.

器件是以带有铟锡氧化物玻璃片(ITO玻璃)为衬底，ITO作为器件的阳极.以标准器件ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/Al作为基本结构，制备了器件A，B，C和 D.试验中使用的 ITO玻璃基片(40 Ω·sq-1)由深圳南玻公司生产，有机材料购买于吉林奥莱德公司，石墨烯购买于北京岛金公司，其热蒸镀温度为600℃.

图1 有机材料化学结构

试验中将ITO玻璃衬底分别用丙酮、乙醇和去离子水擦拭，并采用超声，各3次，最后置于恒温干燥箱中进行干燥.有机膜的蒸镀在多源有机分子气相沉积系统中进行.

将所用材料分别放在不同的蒸发源中，每个蒸发源的温度可以单独控制，蒸发速率控制在0.1～0.2 nm·s-1，在生长的过程中系统的真空度维持在4×10-4Pa左右.最后在5×10-3Pa的真空度下蒸镀阴极120 nm的Al.

器件亮度-电流-电压特性及电致发光光谱由计算机控制的可编程的电流-电压源Keithley Source 2400和光谱扫描光度计PR655所构成的测试系统测量.有机膜厚度由上海产FTM-V型石英晶体膜厚仪来监测.所有数据都是在室温的大气中测得.

2 结果与分析

器件A经过反复测试，始终没有启亮，器件BD都能够启亮.A不亮是因为石墨烯是一种半导体材料，该层直接与ITO接触，产生漏电流，电极不能正常工作，最终没启亮.B-D的电流密度-电压特性曲线如图2所示.

从图2可知:在驱动电压超过11 V后，同一电压下，B的电流密度最低;C的电流密度比B高;D的电流密度最大，表现出最佳的载流子传输特性.这是因为石墨烯掺杂层的引入，使器件内达到一个较好的空穴浓度，所以器件D的电流密度最大.因此，说明石墨烯的引入对器件的载流子注入提高是有益的.

器件亮度-驱动电压特性曲线如图3所示.由图3可以看出:石墨烯薄层引入没有降低器件的启亮电压，当驱动驱动电压超过10 V后，同一电压下，D的亮度最大，当驱动电压为15 V时，最大亮度达到10 070 cd·m-2.发光亮度的提高，主要由于NPB层中掺杂石墨烯提高了激子形成的几率.

图4为器件效率-电压特性曲线.从效率-电压特性曲线也可以看出，在电压超过11 V时，D的效率最高.当电压到达15 V时，电流效率达到最大，为3.40 cd·A-1，主要由于NPB中掺杂石墨烯，形成具有空穴阻挡作用的阻挡层，使载流子的注入更加平衡，形成激子的比率增加，从而使器件效率的得到提高.B，C和D在18 V后均产生明显的效率下降，主要由于发光饱和而导致的效率下降.

图2 器件的电流密度-电压特性曲线

图3 器件的亮度-电压特性曲线

图4 器件效率-电压特性曲线

为了证明石墨烯薄层的引入没有改变器件的发光光谱，分析了器件在电压为14 V时的归一化光谱，如图5a所示.从图5a中可以看出，器件的光谱没有发生改变，主峰还是位于540 nm附近处Alq3发射峰，从图5b可以看出，器件的色度没有改变，色坐标基本保持在(0.35，0.52)附近.

图5 电压14 V时器件的归一化光谱及色坐标

3 结论

分别制备了4组器件:即在结构为ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF/Al的有机电致发光器件中，不插入石墨烯薄层;将石墨烯薄层分别插入到NPB和ITO之间;将石墨烯薄层分别插入到Alq3和LiF之间;在NPB中掺杂石墨烯.对石墨烯薄层对OLEDs性能的影响进行了研究，结果表明:在NPB中掺杂石墨烯的取得了较好的效果，其最大亮度和最大电流效率分别达到10 070 cd·m-2和3.40 cd·A-1;石墨烯的引入对OLEDs性能的提高是有益的，增大了器件的效率和亮度，通过更深入的机制探索，OLEDs性能还会有进一步提高.

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