半透明阴极对蓝光顶发射器件光电性能的影响.doc

第四章 半透明阴极结构对于顶发射蓝光器件光电特性影响的研究顶发射器件阳极一般采用高反射率的金属，而阴极使用低功函数且半透明的ITO或者金属等。由于采用溅射方法生长ITO容易破坏有机层，且工艺相对复杂，所以更多的顶发射阴极采用半透明金属。诸如金属Ca、Mg、Al、Ag等可以通过真空蒸镀生长，且电导率高、电子注入势垒小，使他们成为顶发射器件阴极的首选15, 16, 30 。当然，上述金属材料也存在各自的缺点，如Ca、Mg的化学性质活泼，在空气中不稳定；Al、Ag的透光性差等。本章使用半透明Ag作为顶发射器件的阴极，其具有稳定性好、在可见光范围吸收小、电阻率小、容易蒸镀成膜等优点。然而，由于Ag的功函数较高（4.6eV左右），与有机电子传输材料之间的注入势垒较大，需要增加一层缓冲层以改善电子注入性能、降低开启电压。由于Ag的透光性相对较差，我们最终选择钐（Sm）作为缓冲层降低器件开启电压，结合其透光性较好、功函数低（2.7 eV）以及性质稳定等优点，Sm的引入拟能改善顶发射器件的光电性能。图4.1为通过转移矩阵理论模拟的金属Sm与Ag在20 nm时的反射率和透射率曲线。从图中我们可以看出，相同厚度下的Sm的透过率在可见光区域比Ag高1-2倍，反射率要低4-5倍，受图中的数据启发，本章设计一组实验通过对Sm/Ag组合阴极中金属Sm与Ag厚度的调节来抑制顶发射蓝光器件的微腔作用，进而优化器件的光电性能。472nm的材料发射峰附近，Sm的透射率高于Ag，但相差不是很大，说明两种材料对光的输出的限制是相似的。反射率相差很大，说明两种材料对光谱的影响有较大区别。Ag膜会导致明显的微腔效应，而Sm则几乎没有反射。另外，可能Sm的吸收比Ag大。长波段，Sm的透过率远高于Ag图4.1 20 nmSm和Ag下的反射率和透射率曲线4.1 实验仪器及测试设备采用南京邮电大学参与设计研制的沈阳市超高真空应用技术研究所生产的全封闭交叉式真空成膜机系统进行有机薄膜与金属膜的蒸镀。系统分金属室、有机室、预处理室，一般分别用来生长金属、有机物、处理基片。薄膜厚度和生长速率均由频率计控制。器件的电致发光光谱、亮度、色度以及电流、电压特性采用由美国PR655亮度、光谱测试仪，美国Keithley-2400 电流电压测试仪组成的测试系统进行同步测量。所有的测试都是在室温大气中进行的。薄膜的反射率、透射率均由岛津公司（SHIMADZU）生产的紫外分光光度计UV-3600测量。材料光致发光光谱由岛津公司生产的荧光光度计RF-5301测量得到。4.2 样品的制备实验中采用玻璃作为衬底。首先将衬底分别用丙酮、乙醇、去离子水反复擦洗，再用丙酮、乙醇、去离子水分别超声10分钟，在烘箱100摄氏度烘烤10分钟。烘干后把衬底送到金属室中。待真空度达到10-6 Torr时开始生长厚度为70nm的Ag阳极（反射率达到80以上）。在生长的过程中系统的真空度维持在10-6 Torr左右。材料生长的厚度和生长速率由频率计实时监控，通常材料的生长速率控制在0.10.2 nm/s左右。Sm/Ag电极用掩膜的方法在真空蒸镀金属室中生长。实验中所采用的有机材料的化学结构和器件的结构如图(4.2)所示。其中，m-MTDATA、 NPB、 CBP、FIrpic和BPhen 分别作为空穴注入层、空穴传输层、蓝光母体材料、蓝光磷光发光材料和电子传输材料。Sm/Ag 组合层作为作为顶发射器件的阴极。MoO3 为空穴注入层，我们所用MoO3的纯度大于99.9%，是一种淡绿色粉末状固体，可以直接在钼舟中加热生长。图4.2 顶发射器件的结构及实验中所采用有机材料的化学结构4.3 器件的光电特性测量及分析图4.3为利用转移矩阵理论模拟的在不同Sm、Ag厚度比例下器件的反射率、透射率曲线。由前章节可知，激子主要集于蓝光母体材料CBP中，并距离与空穴传输材料NPB的界面5 nm。因此本章中光通过CBP (25 nm)/BPhen (40 nm)/Sm (X nm)/Ag (Y nm)的膜系后射出，由于掺杂的客体材料FIrpic较少，忽略其对光的反射及透射的影响。未引入Sm时，器件在FIrpic的主发射峰472 nm处反射率、透射率分别为60 %和27 %。随着Sm厚度的增加，器件整体的反射率逐渐下降，透射率逐渐上升。当Sm的厚度增加到15 nm、Ag的厚度降低到15 nm时，器件在FIrpic主发射峰472 nm处的反射率、透射率分别改善为24%和37%。在此我们设计了三组器件，其中Sm的厚度分别为5（器件A）、10（器件B）、15（器件C）nm，同时改变Ag的厚度，以保证Sm/Ag电极总厚度保持30 nm不变。随着Sm的增加，Ag的减小，透射率增大，但增加较少，而反射率则迅速降低且减少很大。图4.3 不同Sm、Ag厚度时多层结构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线图4.4为器件A、B、C在10V下的归一化EL光谱。当Sm厚度为5 nm、Ag厚度为25 nm时，器件A的EL光谱有三个峰值，分别为472、504、538 nm，在上一章已经详细分析过。其中538 nm处的峰值是由多光束干涉引起的，明显强于472 nm处的蓝光材料的发射峰值，这对顶发射蓝光器件的色纯度影响较大。计算中我们发现Sm的厚度的增加大幅度降低器件在可见光范围内的反射率，所以，从器件B和C的EL光谱可以看到，随着Sm从5 nm增加到10、15 nm以后，器件在538 nm处的多光束干涉峰被充分抑制，而472 nm处的峰值强度则相对被提高，器件C中472 nm处的峰值强度已经超过BEOLED的峰值，与蓝光客体材料FIrpic的PL光谱相当。光谱半高宽也从器件A的107 nm窄化到器件B、C的69和59 nm，相比BEOLED的半高宽77 nm，器件C的半高宽还要窄18 nm。器件A、B和C在10 V下色坐标参考图4.5，从图中可看出，器件A、B和C的色纯度分别为（0.25, 0.45）、（0.16, 0.38）和（0.20, 0.39），其中B的色纯度最好，优于BEOLED的（0.20, 0.41）说明Sm厚度的提高，对改善蓝光顶发射器件光谱及色坐标有显著效果。图4.4 器件A、B、C在10 V下的归一化EL光谱及相同器件结构的底发射EL光谱，蓝光发光材料FIrpic的PL光谱图4.5 器件A、B、C及BEOLED在10V下的色坐标变化图图4.6为8 V下器件A、B、C 随视角变化的EL光谱。从图4.6（a）看出，器件采用Sm (5 nm)/Ag (25 nm)作为电极时，光谱随着视角的变化改变明显，不仅光谱峰值强弱有变化，半高宽也逐渐降低。这种不稳定的光谱变化，很不利于其在全彩显示中应用。随着Sm厚度的增加，器件B中光谱随视角的变化很小，只是在光谱峰值相对强弱上略有变化。在图4.6（c）中，我们看出，当金属Sm的厚度增加到15 nm时，光谱随视角变化很小，几乎不变。通过半透明组合阴极厚度比例的调节，我们得到了光谱视角稳定性很高的顶发射蓝光器件，这对其在全彩显示中的应用提供了宝贵的借鉴。图4.6 器件A（a）、B（b）、C（c）在不同视角下的EL光谱图4.7为器件的电压与亮度、电流密度曲线。从图4.7（a）可以看出，随着Sm厚度的增加，相同电压下器件电流密度逐渐下降，特别是当Sm从5 nm增加到15 nm时，器件在14 V时的电流密度从器件A的480 mA/cm2降低到器件C的186 mA/cm2，说明组合阴极Sm/Ag的导电性随着Sm的厚度增加而降低，这就导致在图4.7（b）中，在相同电压下，器件亮度逐渐下降。图4.8为器件的电流效率与电流密度的关系，同样可以看出，Sm厚度的增加使最大电流效率从器件A的3.8 cd/A，降到器件C的1.5 cd/A。可以得出，虽然Sm厚度的增加减少了阴极的反射、增加了透射，但是由于其导电性较差，使得电子注入能力下降，从而影响了器件的亮度、电流密度以及电流效率。图4.7 器件A、B、C电流密度与电压（a）、亮度与电压的关系（b）图4.8 器件A、B、C的电流效率与电流密度的关系4.4 结论本章通过对Sm/Ag组合半透明金属阴极中Sm和Ag厚度比例的调节，制备了光谱性能稳定的顶发射蓝光器件，该器件的EL光谱几乎不随视角改变。优化的组合阴极结构Sm (15 nm)/Ag (15 nm)同时获得了色度更佳的蓝光，色坐标可达到(0.16, 0.38)，甚至优于底发