基于荧光材料的有机电致白光发光器件

刘秭君，肇杰

（吉林师范大学博达学院，吉林四平，136000）

1 荧光系统及白光荧光OLEDs

1.1 白色荧光产生的原理

白色的电致发光，一般可以由不同的发光颜色混合而成，例如混合两互补色可以得到二波段型白光，或混合红、蓝、绿三原色得到三波段型白光。常见的OLED器件结构主要有两种，分别为多掺杂层发光器件和多重发光层器件。所谓多掺杂发光层器件是指将含有多种颜色发光材料的掺杂物共蒸镀于同一发光层中，利用不完全能量转换原理使电致发光呈现不同颜色混合而形成白光。而多重发光层器件是将不同颜色的发光材料分别掺混在各个发光层中，利用各单层发光再混合来实现多波段的发光。

1.2 白色荧光OLEDs

最早报道的荧光系统WOLED是美国柯达公司制备的双发光层的器件结构，主要是将黄光发光材料掺杂到NPB中，结合蓝色发光材料，通过使用厚度匹配和调节浓度的方法制备出白光器件。2006年，SID会上，柯达公司发表了有关多波段蓝、绿、黄的白光器件，获得CIE色坐标为(0.318,0.348)，最大效率为9.9cd/A。提高器件效率最有效的方法是p-i-n结构，p-i-n结构能有效的增加电子和空穴的注入数目，极大的增加电子和空穴的复合几率，从而提高了器件的效率和亮度，降低了器件的启亮电压[33]。2008年，Duan等人用BPhen：Cs和MeO-TPD：F4-TCNQ的p-i-n结构，获得了功率效率为8.7lm/W的白光器件。2008年，丁桂英等采用全荧光系统，获得最大亮度为25110cd/m2,CIE色坐标为(0.30,0.34)的很好的白光。2013年，吴清洋等人使用荧光材料PT-01作为黄色荧光客体材料，PT-86作为蓝色荧光客体材料，PT-05作为荧光主体材料制作出了全荧光白光有机电致发光器件。获得的最大效率为11.2cd/A,最大亮度为20590cd/m2。

2 基于蓝色荧光材料DPVBi和红色荧光材料DCJTB的研究

2.1 实验主要内容及采用的手段

实验主要以DPVBi材料为蓝色发光层，另外以DPVBi掺杂DCJTB作为第二层发光层，制备了双层全荧光白光有机电致发光器件。器件结构为ITO/MoO3/TCTA/DPVBi/DPVBi:DCJTB/TPBi/LiF/CdS/Al。通过改变掺杂层的掺杂比例，改变发光层位置和调节发光层厚度的方法获得了白光。发现单DPVBi蓝色发光层在掺杂层前面，掺杂比例为1:3%，并且DPVBi蓝色发光层与DPVBi：DCJTB层厚度为15nm和10nm时获得了白光有机电致发光器件。

2.2 实验过程

采用的器件结构和能级图如图1和图2所示。MoO3作为电子注入层，TCTA作为电子传输层，DPVBi作为蓝色发光层，DPVBi：DCJTB作为黄色发光层，TPBi作为电子传输层和空穴阻挡层，LiF/Al作为复合阴极。MoO3，TCTA，TPBi，CdS的厚度分别固定在10nm、20nm、20nm、0.6nm不变，实验过程首先研究了不同掺杂浓度的单层发光层DPVBi:DCJTB有机电致发光器件，器件结构为ITO/MoO3/TCTA/DPVBi:DCJTB/TPBi/LiF/CdS/Al，掺杂浓度分别为1%，3%，5%，7%，制备了发现制备出的器件均显橙黄色，且1%浓度较好。为了获得白光，在此器件结构基础上又加入了一层蓝色荧光材料DPVBi蓝色荧光发光层,并改变DPVBi的位置，同时通过能级匹配的方法调节DPVBi层与DPVBi:DCJTB层厚度，获得的器件均以蓝光为主，无法获得理想的白光，如此猜想，红光发光较弱，且发光区域主要在DPVBi层，所以为了进一步获得白光，把掺杂浓度变为1:3%，并重复了第二次实验，获得器件A,B,C,D,器件A的发光层厚度为10nm，15nm，器件B的发光层厚度为15nm，10nm，器件C的发光层厚度为10nm，15nm，器件D的发光层厚度为15nm，10nm。A,B器件结构参照图1(a)所示，器件C,D参照图1(b)所示，发现DPVBi蓝色发光层在掺杂层前面，并且DPVBi层与DPVBi:DCJTB层厚度为15nm和10nm时获得了白光。器件的阳极用的是ITO玻璃。在蒸镀有机材料薄层之前，依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声反复清洗ITO玻璃基片，干燥后置于多源有机分子气相沉积系统的腔室内，腔内真空度小于5×10-4Pa，有机薄膜的蒸发速率控制在0.1-0.2nm/s的范围内，LiF的蒸发速率约0.01nm/s，金属Al的蒸发速率约1.5nm/s，蒸镀过程中采用FTM-V型石英晶体膜厚监测仪监测厚度，通过keithley 2400和光谱扫描光度计PR655对器件的亮度，电流，电压，发光光谱，色度进行测量。测量在空气中室温条件下进行。

图1 器件结构图

图2 器件A的能级图

2.3 结果与讨论

图3为器件A,B,C,D的电压-亮度曲线，器件A和器件B中，DPVBi蓝色发光层位于DPVBi：DCJTB前面，且改变两发光层厚度（10nm，15nm）和（15nm，10nm），由图可知，器件A的最大亮度为8500cd/cm2，器件B的最大亮度为11000cd/cm2，且器件B随电压增大亮度高于A器件，原因是器件B比器件A厚度更加匹配，载流子注入更加平衡，参加发光的激子的数目增多，导致亮度增大。器件C和器件D为发光层调换位置后的图像，可以看出器件C随电压增加亮度要比器件D随电压增加的亮度大，同样是因为器件C比器件D厚度更加匹配，参加发光的激子数目增多导致的。

图3 电压-亮度曲线

由图4电流密度-效率曲线可以看出，器件A,B,C,D随电流密度的增加，效率滚降不大，基本是一条平直的曲线，可以说器件A,B,C,D载流子注入基本趋于平衡。器件A最大效率为1.8cd/A,器件B最大效率为2.5cd/A,器件C最大效率为4.6cd/A,器件D最大效率为4.9cd/A,由此可知器件C获得的效率最大。

图4 电流密度-效率曲线

图5为器件A,B,C,D归一化光谱图，从光谱图中可以看到主要有两个发光峰，一个为蓝色发光峰，一个为红色发光峰，它们分别来自DPVBi和DCJTB的发光。其中器件B的CIE在（0.38,0.32)附近，色度较好属于暖白光发射。器件B单层DPVBi在掺杂层DPVBi：DCJTB前面，之所以白光的显色性比交换发光层位置的C,D器件好，主要是由于器件C,D在外加电压下，DPVBi到DCJTB的能量传递主要占优势，导致发光区域主要集中在掺杂发光层中，随电压增加，红光的强度增强，器件的显色性偏于红色，最终导致白光色度较差。器件B与器件A相比，掺杂层的厚度薄，单层蓝光层的厚度厚，各材料厚度匹配较好，把发光区域限制在了蓝光发光层和掺杂发光层中，导致了电子和空穴向蓝光和红光发射层的注入较均匀，使器件的红光和蓝光发射强度比较均衡，器件的白光色度较好。

图5 器件A,B,C,D归一化光谱图

3 总结

当DPVBi层位置在前面时，器件的红色和蓝色发光强度比较均匀，且发光层厚度为15nm和10nm时，器件的厚度较匹配，增加了电子的注入和载流子的复合增加了电子的注入和载流子的复合几率，并获得白光器件，且器件的CIE坐标为（0.38,0.32）,器件最大效率为2.5cd/A,最大亮度为11000cd/cm2。