陈星明，胡胜坤，金　玉，吴志军

(华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门　361021)



不同发光染料的顶发射有机电致发光器件的研制

陈星明，胡胜坤，金玉，吴志军*

(华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361021)

通过设计合理的微腔结构，制备了基于绿光染料C545t、黄光染料Rubrene、红光染料DCJTB的3种顶发射有机电致发光器件。研究了不同发光染料对顶发射器件的光谱的影响。研究表明，微腔结构对光谱具有窄化作用。绿光、黄光器件的发光峰波长并未随视角增大而明显变化，体现出良好的光谱角度性，而红光器件却出现了明显的光谱蓝移现象。绿光器件的最大功率效率为8.7 lm/W，当电流密度为45 mA/cm2时，亮度能达到7 205 cd/m2；黄光器件的电流效率最大值为11.5 cd/A，当电流密度为48 mA/cm2时，亮度可达到3 770 cd/m2；红光器件的电流效率最大能达到3.54 cd/A，当电流密度为50 mA/cm2时，可获得1 358 cd/m2的亮度。采用合适的发光材料以及合适的器件结构，不仅可以提高顶发射器件的色纯度及发光效率，还可以改善器件发光光谱的角度依赖性。

顶发射有机电致发光器件；发光染料；微腔；光谱

*Corresponding Author,E-mail:quantumoed@126.com

1　引　　言

有机电致发光器件(Organic light emitting device，OLED)具有面发光、厚度薄、响应时间短、可制成柔性显示屏等优点，众多公司及科研院校投入了大量人力和财力对其进行研究，并取得了一系列成果[1-6]。通常的OLED是由多层的有机层夹在高功函数的阳极和低功函数的阴极之间形成的。在外界电压驱动下，空穴和电子克服界面能障，分别由阳极和阴极注入，进入空穴传输层(Hole transporting layer，HTL)的HOMO能阶和电子传输层(Electron transporting layer，ETL)的LUMO能阶，并在发光区中结合产生激子,激子以辐射的方式回到基态形成发光。OLED按照出光方向不同分为底发射器件和顶发射器件。传统的底发射有机电致发光器件由于光从衬底一侧射出，材料发出的光经光波导模式大部分在玻璃基底和器件内损失或者从器件边缘发出，极大地影响了器件的效率[7]。与传统的底发射器件不同，引入微腔结构的顶发射有机电致发光器件(Top-emitting organic light emitting device，TEOLED)不仅能有效提高器件发光强度[8]、发光效率[9]、色纯度[10]等，同时对于主流的有源矩阵(Active matrix)显示技术来说，由于顶发射结构光从顶电极一侧射出，将像素的驱动电路制作在衬底上就不会存在驱动电路和器件发光面积相互竞争的问题，可显著提高像素的开口率[11]，所以对顶发射器件的研究具有重要的意义。

目前人们主要针对顶发射器件的结构对其光学性能的影响进行研究，如Li等[12]设计了高透射率的电极以提高顶发射器件的性能，Xie等[13]研究了不同厚度的阴极对器件光学性能的影响，Chen等[14]用BCP作为光输出耦合层制备了高性能的TEOLED。除了器件的结构以外，有机发光材料本身的发光特性也会对顶发射器件的光学性能产生影响，特别是顶发射器件的角度依赖性，即随观测角的不同，顶发射器件的电致发光强度、峰值波长等发生变化，这使得顶发射器件在应用于显示时存在视角问题[15]。本文通过设计合理的微腔结构，制备了基于绿光荧光染料C545t、黄光荧光染料Rubrene、红光荧光染料DCJTB的顶发射器件，研究了不同发光特性的发光染料对顶发射器件光谱角度性的影响。结果表明，使用发光光谱较宽的发光染料可以改善顶发射器件发光光谱的角度依赖性。

2　实　　验

本实验以绿光荧光染料C545t、黄光荧光染料Rubrene、红光荧光染料DCJTB分别作为发光层，制备的三种器件结构如下所示：

器件A：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/C545t∶Alq3(0.5%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件B：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(45 nm)/NPB(5 nm)/Rubrene∶Alq3(5%,30 nm)/Alq3(35 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

器件C：Ag(70 nm)/Ag2O/M-MTDATA(58 nm)/NPB(5 nm)/DCJTB∶Alq3(1%,25 nm)/Alq3(25 nm)/LiF-Al(1 nm)/Ag(20 nm)。

将已彻底清洗过的玻璃片放置于LN-1103SA多源气相沉积系统中，热蒸镀70 nm厚的金属Ag作为阳极，然后对Ag表面进行紫外照射处理，处理时间为2 min。这样可在Ag的表面生长一层超薄的Ag2O以利于空穴的注入[16]。处理后，再按照器件的结构依次热蒸镀相应的材料。蒸镀过程中，系统真空度始终保持在2.0×10-4Pa。有机材料的蒸镀速率为0.08 nm/s，LiF蒸镀速率为0.003 nm/s，金属Al及Ag蒸镀速率为0.3 nm/s。OLED有效发光面积为3 mm×3 mm。器件的电致发光光谱、电压、亮度、电流密度、效率等是由MAYA2000PRO光纤光谱仪、keithley 2400程控电源以及LS-110亮度计组成的测试系统同时进行测量获得。所有测量都是在室温大气中进行。

3　结果与讨论

在顶发射微腔器件中，根据经典光学理论我们可以用式(1)来计算正向的发光光谱[17]：

(1)

其中：λ是波长，x是激子到全反射电极的距离，R1和R2分别是全反射电极与半反射电极的反射率，L 是整个微腔器件的光学长度，En(λ)是有机发光材料在自由空间的发光光谱。

假设微腔内的发光物质在自由空间的发光光谱强度为1，所得到的器件光谱称为腔发射谱(Cavity emission)，由腔发射谱可以得到器件的共振波长，这对顶发射器件的设计有着很好的指导作用。我们首先计算了顶发射器件A、B、C的腔发射谱，如图1所示，其腔发射谱的发光峰中心波长分别为516，560，636 nm，这说明器件A、B、C的共振波长为516，560，636 nm。从图2中可以看出，相同结构的底发射器件的发光峰中心波长也在这些数值附近，说明我们设计的顶发射器件光强能在这些峰值处实现增益，从而有效提高了器件的发光效率，表明所设计的顶发射器件的结构是合理的，实验的结果也证明了我们计算的准确性。光谱稍许的差别是由于器件实际的厚度与计算模拟时采用的厚度存在细微差异。

图1器件A、B、C的微腔发射谱。

Fig.1Cavity emission of device A,B,C,respectively.

从图2中还可以看出，由于微腔效应，顶发射器件的光谱半高宽明显小于底发射器件的光谱半高宽。图3分别比较了不同视角(0°和60°)下，器件A、B、C实验测得的光谱。由微腔理论可知，顶发射器件虽然可以有效提高器件的发光效率以及色纯度，但是也会使器件的发光峰随着视角的增大而蓝移[18]。随着视角从0°增大到60°，器件A的发光峰仅蓝移了4 nm，器件B与器件A类似，都体现出良好的光谱角度性。但是对于器件C，当视角为0°时，器件的发光峰在636 nm；当视角为60°时，发光峰在608 nm，发光波长向短波方向移动了28 nm。与器件A和B不同，对于用DCJTB发光染料制备的顶发射器件C，其共振波长随着视角的增大而明显蓝移。器件A和B的发光波长随视角的变化较小，主要是由于C545t以及Rubrene发光染料自身的发光峰较窄所致，也有相关文献报道过此类现象[19]。表1列出了不同发光染料的光谱半高宽，其中C545t和Rubrene的光谱半高宽均小于DCJTB。虽然器件C的结构与器件A、B相似，并且共振波长在636 nm处，器件效率得到提高，但是DCJTB本身的电致发光光谱较宽，这会显著影响到器件C的光谱的稳定性。

图2顶发射器件(计算模拟和实验测量)和底发射器件在0°视角下的发光光谱。(a) 器件A；(b) 器件B；(c) 器件C。

Fig.2Spectra of TEOLED (calculated and measured)and BEOLED at 0°.(a) Device A.(b) Device B.(c) Device C.

表1不同发光染料的光谱半高宽

Tab.1Spectral full width at half maxium of different luminescent dyes

发光染料光谱半高宽/nmC545t57Rubrene77DCJTB87

图3　器件A、B、C在0°以及60°视角下的发光光谱。

Fig.3Spectra of device A,B and C at viewing angles of 0° and 60°.

表2为器件A的光电性能参数。在4.9 V的驱动电压下，器件达到最大功率效率8.7 lm/W；当电流密度为45 mA/cm2时，亮度能达到7 205 cd/m2。

表2　器件A的性能参数

表3为器件B的光电性能参数。在48 mA/cm2的电流密度下，器件B的亮度可达到3 770 cd/m2；在11 V的驱动电压下，电流效率达到最大值11.5 cd/A。

表4为器件C的光电性能参数。当电压为7.0 V时，器件的最大电流效率达到3.54 cd/A；电流密度为50 mA/cm2时，即可获得1 358 cd/m2的亮度。

表3　器件B的性能参数

表4　器件C的性能参数

4　结　　论

实验制备了基于C545t、Rubrene、DCJTB 3种发光染料的顶发射有机电致发光器件，研究了不同发光染料对TEOLED光谱的影响。随着视角从0°增大到60°，绿光C545t器件的发光峰仅蓝移了4 nm，黄光Rubrene器件的发光峰值也未随角度增大而明显变化，而红光DCJTB器件的发光峰却向短波方向移动了28 nm，出现明显的蓝移现象。研究结果表明，采用合适的发光材料以及合适的器件结构，不仅可以提高Top-OLED的色纯度及发光效率，还可以改善器件发光光谱的稳定性。

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陈星明(1989-)，男，福建福州人，硕士研究生，2013年于华侨大学获得学士学位，主要从事有机电致发光器件的研究。

E-mail：chenxm8911@163.com

吴志军(1977-)，男，福建泉州人，博士，副教授，2006于吉林大学获得博士学位，主要从事有机电致发光器件、有机光伏器件及有机薄膜晶体管的研究。

E-mail：quantumoed@126.com

Top-emitting Organic Light-emitting Devices with Different Luminescent Dyes

CHEN Xing-ming，HU Sheng-kun，JIN Yu，WU Zhi-jun*

(College of Information Science and Engineering,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

Three kinds of top-OLEDs with fluorescent dyes-green C545t,yellow Rubrene and red DCJTB were fabricated by reasonable design of microcavity structure,and the corresponding optical properties were also studied.The results show that the spectrum of OLEDs can be narrowed by micro-cavity effect.With the increasing of the viewing angle,the spectral peak of green C545t and yellow Rubrene devices don’t change significantly and exhibit independence of the viewing angle,however,an obvious blue shift of red DCJTB device can be observed.The maximum power efficiency of green device is 8.7 lm/W,and the brightness is 7 205 cd/m2with the current density of 45 mA/cm2.The maximum current efficiency of yellow device is 11.5 cd/A,and the brightness is 3 770 cd/m2with the current density of 48 mA/cm2.The maximum current efficiency of red device is 3.54 cd/A,and the brightness is 1 358 cd/m2with the current density of 50 mA/cm2.Not only the chroma and luminous efficiency but also the angle-independence of the top-OLED can be improved by the use of appropriate luminescent material and suitable device structure.

top-emitting organic light-emitting devices；luminescent dyes；microcavity；spectra

1000-7032(2016)04-0446-06

2015-12-03；

2015-12-25

国家自然科学基金(61404053)；华侨大学中央基本业务费(国家基金培育计划JB-ZR1143)资助项目

TN383+.1；TN312+.8

A

10.3788/fgxb20163704.0446