自從1987年文獻(xiàn)[1]首次采用芳香二胺類衍生物為空穴傳輸材料,，以8-羥基喹啉鋁(Alq3)為發(fā)光層材料,，制備出高效率、高亮度和低驅(qū)動電壓的有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode,，OLED)以來，由于其功耗低,、亮度高,、視角寬、響應(yīng)速度快等諸多特點而受到了極大的關(guān)注,，有機電致發(fā)光(Emissive Layer,，EL)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)光顯示領(lǐng)域的熱點之一。人們從發(fā)光材料,、制備工藝,，到發(fā)光機理、器件結(jié)構(gòu)等各個方面進(jìn)行了大量的研究工作,，器件的光電性能" title="光電性能">光電性能得到了明顯提高,，但是器件的發(fā)光效率和亮度等因素仍然是阻礙OLED商業(yè)化的瓶頸之一。

　　為了改善發(fā)光器件的光電性能,，本文采用聚乙烯基咔唑(PVK)作為空穴傳輸材料,，Alq3作為電致發(fā)光/電子傳輸材料，制備了結(jié)構(gòu)為氧化銦錫(Indium Tin Oxide,，ITO)/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al的OLED器件,，研究了空穴傳輸層" title="空穴傳輸層">空穴傳輸層厚度對器件光電性能的影響，優(yōu)化了器件功能層的厚度匹配，獲得了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的OLED器件,。

　　1 實 驗

　　1.1 材料

　　實驗選用ITO導(dǎo)電玻璃(15 Ω/□)作為OLED器件的陽極材料,，高純度金屬鎂(99.9%)、銀(99.9%)和鋁(99.999%)作為器件的陰極材料,，PVK作為器件的空穴傳輸層材料,，Alq3作為器件的發(fā)光層兼電子傳輸層材料。這些有機材料均購自美國Aldirch公司,，其分子結(jié)構(gòu)式可參見文獻(xiàn)[1-3],。

　　1.2 ITO基片表面處理

　　制備OLED器件前，ITO基片采用洗滌劑,、丙酮溶液,、NaOH溶液、乙醇溶液,，及去離子水超聲各清洗20min,，然后利用高純氮氣吹干，置于OLED-V型有機多功能成膜設(shè)備的預(yù)處理室中,，在250 V電壓下進(jìn)行氧氣等離子體處理約30 min,。

　　1.3 OLED器件制備

　　將不同濃度(2、3,、6,、9 mg/ml)的PVK/氯仿溶液，用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速(時間為60 s)旋涂成膜于清潔的ITO基片上,，得到不同厚度(4,、15、30,、60 nm)的PVK薄膜,。對于旋涂獲得的所有PVK薄膜在真空條件下烘烤大約30 min，以去除薄膜中的殘留溶劑,。最后在真空度為10−4 Pa時,，采用熱蒸發(fā)方式依次沉積有機層Alq3、合金陰極層Mg:Ag(10:1)及金屬層Al,。合金Mg:Ag利用雙源共蒸技術(shù)制備而獲得,，蒸發(fā)速率和膜厚通過石英晶體振蕩器監(jiān)控。有機層和金屬層的蒸發(fā)速率分別為0.2~0.4 nm/s和2~4nm/s,，各功能層的厚度及所制作的OLED器件結(jié)構(gòu)為ITO/PVK(0~60 nm)/Alq3(60 nm)/Mg:Ag(100 nm)/Al(150 nm),。

　　1.4 OLED器件性能測試

　　在大氣和室溫(25°C)條件下，利用KEITHLEY-4200半導(dǎo)體測試儀,、ST-86LA屏幕亮度計和OPT-2000光譜光度計,，分別對所有未封裝的OLED器件的電壓、電流、亮度和光譜進(jìn)行測試,。

　　自從1987年文獻(xiàn)[1]首次采用芳香二胺類衍生物為空穴傳輸材料,，以8-羥基喹啉鋁(Alq3)為發(fā)光層材料，制備出高效率,、高亮度和低驅(qū)動電壓的有機發(fā)光二極管(Organic Light-Emitting Diode,，OLED)以來，由于其功耗低,、亮度高,、視角寬、響應(yīng)速度快等諸多特點而受到了極大的關(guān)注,，有機電致發(fā)光(Emissive Layer,，EL)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)光顯示領(lǐng)域的熱點之一。人們從發(fā)光材料,、制備工藝,，到發(fā)光機理、器件結(jié)構(gòu)等各個方面進(jìn)行了大量的研究工作,，器件的光電性能得到了明顯提高,，但是器件的發(fā)光效率和亮度等因素仍然是阻礙OLED商業(yè)化的瓶頸之一。

　　為了改善發(fā)光器件的光電性能,，本文采用聚乙烯基咔唑(PVK)作為空穴傳輸材料,，Alq3作為電致發(fā)光/電子傳輸材料，制備了結(jié)構(gòu)為氧化銦錫(Indium Tin Oxide,，ITO)/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al的OLED器件,，研究了空穴傳輸層厚度對器件光電性能的影響，優(yōu)化了器件功能層的厚度匹配,，獲得了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的OLED器件。

　　1 實 驗

　　1.1 材料

　　實驗選用ITO導(dǎo)電玻璃(15 Ω/□)作為OLED器件的陽極材料,，高純度金屬鎂(99.9%),、銀(99.9%)和鋁(99.999%)作為器件的陰極材料，PVK作為器件的空穴傳輸層材料,，Alq3作為器件的發(fā)光層兼電子傳輸層材料,。這些有機材料均購自美國Aldirch公司，其分子結(jié)構(gòu)式可參見文獻(xiàn)[1-3],。

　　1.2 ITO基片表面處理

　　制備OLED器件前,，ITO基片采用洗滌劑、丙酮溶液,、NaOH溶液,、乙醇溶液，及去離子水超聲各清洗20min，然后利用高純氮氣吹干,，置于OLED-V型有機多功能成膜設(shè)備的預(yù)處理室中,，在250 V電壓下進(jìn)行氧氣等離子體處理約30 min。

　　1.3 OLED器件制備

　　將不同濃度(2,、3,、6、9 mg/ml)的PVK/氯仿溶液,，用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速(時間為60 s)旋涂成膜于清潔的ITO基片上,，得到不同厚度(4、15,、30,、60 nm)的PVK薄膜。對于旋涂獲得的所有PVK薄膜在真空條件下烘烤大約30 min,，以去除薄膜中的殘留溶劑,。最后在真空度為10−4 Pa時，采用熱蒸發(fā)方式依次沉積有機層Alq3,、合金陰極層Mg:Ag(10:1)及金屬層Al,。合金Mg:Ag利用雙源共蒸技術(shù)制備而獲得，蒸發(fā)速率和膜厚通過石英晶體振蕩器監(jiān)控,。有機層和金屬層的蒸發(fā)速率分別為0.2~0.4 nm/s和2~4nm/s,，各功能層的厚度及所制作的OLED器件結(jié)構(gòu)為ITO/PVK(0~60 nm)/Alq3(60 nm)/Mg:Ag(100 nm)/Al(150 nm)。

　　1.4 OLED器件性能測試

　　在大氣和室溫(25°C)條件下,，利用KEITHLEY-4200半導(dǎo)體測試儀,、ST-86LA屏幕亮度計和OPT-2000光譜光度計，分別對所有未封裝的OLED器件的電壓,、電流,、亮度和光譜進(jìn)行測試。

　　2 結(jié)果和討論

　　2.1 空穴傳輸層厚度對器件電流−電壓特性的影響

　　圖1為不同厚度空穴傳輸層器件的電流−電壓(J-V)特性曲線,，圖中字母A代表單層器件,，字母B、C,、D,、E分別代表PVK厚度為4、15,、30,、60 nm的OLED器件。由圖1可知,，所有器件的電流密度隨驅(qū)動電壓的增大都呈現(xiàn)出平穩(wěn)的增加,，電流密度并不是隨著空穴傳輸層PVK厚度的增加而單調(diào)減小,。當(dāng)正向偏壓小于8 V時，外加電壓增大,，電流密度的變化并不明顯,；當(dāng)外加電壓增大到一定程度時，電流才迅速增加,。當(dāng)V =15 V時,，器件A、B,、C,、D、E的電流密度J分別為7.2,、31.0,、30.3、22.7,、24.6mA/cm2,。在相同電壓V時，通過器件的電流密度J的大小關(guān)系為B＞C＞E＞D＞A,。由于PVK是一種性能優(yōu)良的空穴傳輸材料,，它的引入有效提高了OLED器件中載流子的復(fù)合，使雙層器件的電流密度明顯大于單層器件,。同時,，對于雙層OLED雖然空穴傳輸層PVK的引入，有助于提高器件中的載流子復(fù)合,，但PVK厚度的增加,，加大了器件的串聯(lián)電阻。因此,，只有當(dāng)PVK的厚度合適時,，器件的電流密度最大。

圖1：不同厚度空穴傳輸層器件的J-V曲線

　　2.2 空穴傳輸層厚度對器件L-V特性的影響

　　圖2為所有OLED器件的L-V特性曲線,，很顯然,，空穴傳輸層厚度明顯影響器件的啟亮電壓和發(fā)光亮度。由圖可以看出,，器件A、B,、C,、D、E的啟亮電壓分別為7.2,、4.5,、4.4,、4.7、4.6 V,，其中器件C的啟亮電壓最小,，而器件A的啟亮電壓最大。當(dāng)正向偏壓小于8 V時,，器件的發(fā)光亮度L隨外加電壓V的變化不顯著,；當(dāng)外加電壓V大于8 V時，器件C,、D的發(fā)光亮度L隨V增大而迅速增強,，但器件A的發(fā)光亮度變化不夠明顯。當(dāng)外加電壓V相同時,，器件的發(fā)光亮度L存在較大的差別,，如當(dāng)V =15 V時，器件A,、B,、C、D,、E的發(fā)光亮度L依次為75.7,、1 805.4、2 408.1,、1 503.8,、1 722.6 cd/m2，相同電壓時OLED發(fā)光亮度的大小依次為C＞B＞E＞D＞A,。容易發(fā)現(xiàn)：器件C具有最高的發(fā)光亮度,，當(dāng)V =20 V時，L的值接近5557.5 cd/m2,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的OLED器件,。

圖2：不同厚度空穴傳輸層器件的L-V曲線

　　2.3 空穴傳輸層厚度對器件η-V特性的影響

　　不同厚度空穴傳輸層器件的η-V特性曲線如圖3所示，可以看出,，所有雙層器件的電流效率η都明顯優(yōu)于單層器件,。當(dāng)外加電壓V =13.5 V時，器件A,、B,、C、D,、E的η值分別為0.33,、1.77、2.29,、1.96,、2.08 cd/A,，這說明雙層器件的電流效率η是單層器件的5~6倍。

　　另外由圖可見,，η的總變化趨勢是先隨V增加而迅速增大,，當(dāng)V增加到一定程度時，η達(dá)到最大值,，隨后η便隨V增加而逐漸減小,。器件A、B,、C,、D、E的最大電流效率ηmax分別為0.39,、1.77,、2.42、1.99,、2.11 cd/A,，其中器件A的ηmax最小，C的最大,?？昭▊鬏攲覲VK厚度對器件ηmax影響的曲線如圖4所示。

圖3：不同厚度空穴傳輸層器件的η-V曲線

圖4：空穴傳輸層PVK厚度對器件ηmax影響的曲線

　　表1比較了各器件的主要性能指標(biāo),，可以看出,，一方面雙層器件的性能明顯優(yōu)于單層器件，另一方面空穴傳輸層的厚度對OLED器件的光電性能具有顯著影響,。綜合而言,，器件C的性能最好，它具有最低的啟亮電壓,、最高的發(fā)光亮度和發(fā)光效率,。

表1：各器件的性能參數(shù)比較（點擊圖片放大）

　　對于雙極注入OLED器件，其發(fā)光強度L正比于電子−空穴對的數(shù)目,，即有：

　　式中 N和P分別為電子和空穴濃度,；qη為電致發(fā)光的效率；r為比例系數(shù),?？梢钥闯觯琋和P的相差越大,，發(fā)光亮度L越?。籒和P越接近時,，那么發(fā)光亮度L越大,；而當(dāng)N=P時，發(fā)光亮度L達(dá)到最大值,。根據(jù)圖5所示的器件能級圖可以看出[4-10],，對于器件ITO/Alq3/Mg:Ag/Al，其電子注入勢壘為0.5 eV,，而空穴注入勢壘為0.9 eV,。因此器件工作時電子和空穴的注入極不平衡，N和P的數(shù)值相差較大,，由式(1)可知這類器件的光電性能較差,。但是，對于器件ITO/PVK/Alq3/Mg:Ag/Al,，當(dāng)引入PVK空穴傳輸層后,，一方面空穴注入勢壘減小(0.7 eV)提高了空穴的注入能力，另一方面在Alq3/PVK界面形成了一個高的阻擋勢壘,，有利于將從陰極注入的電子限制在發(fā)光層(Alq3)內(nèi)而有效地與空穴復(fù)合,，提高了器件中載流子的復(fù)合效率，改善了OLED的性能,，所以這類器件的光電性能明顯優(yōu)于器件ITO/Alq3/Mg:Ag/Al,。

圖5：器件的能級結(jié)構(gòu)圖

　　3、結(jié) 論

　　本文制備了一系列結(jié)構(gòu)為ITO/PVK/Alq3/Mg：Ag/Al的有機發(fā)光器件,，通過測試和分析器件的光電性能,，研究了空穴傳輸層厚度對OLED器件性能的影響，優(yōu)化了器件功能層的厚度匹配,。實驗結(jié)果表明,，雙層器件的光電性能明顯優(yōu)于單層器件，同時空穴傳輸層厚度對其光電性能也具有顯著的影響,。當(dāng)空穴傳輸層厚度為15 nm時,，雙層器件有較佳的器件性能，其起亮電壓最低,，發(fā)光亮度和發(fā)光效率最高,。