基于双极性激基复合物混合主体的高性能暖白光OLED器件

陈 琛，曹万山，李培顶，程泽远，唐婷婷，袁 曦，汪 津

(吉林师范大学 信息技术学院，吉林 四平 136000)

0 引言

近年来，白色有机发光器件(White organic light-emitting devices (WOLEDs))以其高分辨率和大规模生产的优势，在OLED研究领域受到了越来越多的关注[1-3].此外，它还可以应用于固态光源和液晶显示器的背光[4].为了进一步满足OLED应用要求，研究人员设计了一系列双极性材料[5-6].对于双极性主体材料而言，在具有良好导电性的同时具有较大的带隙是难以兼得的.除了化学合成法外，还经常使用另外两种方法来制备双极性混合主体，一种是合成由空穴传输单元和电子传输单元组成的新材料[7-9]，另一种则是使用空穴传输材料用作主体材料掺杂电子传输材料，以实现混合主体材料[10-12].

在我们之前的研究中发现，激基复合物作为混合主体可以有效降低驱动电压，提高器件效率[13].本文使用激基复合物分子来提供蓝光发射，并通过控制能量转移来优化器件结构，最终获得的白光OLED器件的功率效率超过100 lm/W.

1 实验

1.1 实验所需材料与器件制备

实验中所用主要有机材料名称和化学结构如图1所示.其中所有的有机材料均采购自西安宝莱特光电科技有限公司，并且使用前未经处理.实验中使用辽宁优选新能源科技有限公司预刻蚀阳极图案的ITO导电玻璃作为衬底，其中ITO层厚度约为180 nm，方阻为15 Ω/sq.衬底使用前先将其放入专用清洗花篮中用ITO导电玻璃专用碱性清洗液超声清洗处理10 min，确保去除ITO表面的有机物与杂质颗粒，然后依次使用异丙醇和去离子水超声10 min以去除清洗液残留.之后使用氮气枪吹干衬底表面并移至控温为130 ℃的真空干燥箱中干燥60 min.最后将干燥处理后的衬底转移至多源有机气相沉积系统中进行器件制备.

图1 本实验中所用主要有机材料的化学结构图

1.2 器件测试与表征

器件蒸镀设备为沈阳市久达高真空技术研究所JD400C多源有机气相沉积系统.蒸镀过程中，器件的各功能层膜厚与实时蒸镀速率通过英福康SQC-310石英晶体膜厚控制仪进行在线同步监测.器件的有效发光面积约为9 mm2.器件的亮度、电压、电致发光光谱以及色度相关数据通过吉时利源表Keithley-2400和PR655分光辐射亮度计组成的测试系统进行测试[14]，并且所有测试均在室温(20 ℃)大气环境中进行.

2 结果与分析

基于双波段原理调配OLED的白光发射相对多波段更为容易，可以有效降低工艺难度.在之前研究工作的基础上将空穴型主体材料mCP掺杂电子传输材料PO-T2T以提升主体材料载流子传输效果与载流子平衡，同时降低OLEDs启亮电压这一核心思想对白光OLEDs进行设计.

2.1 基于激基复合物混合主体的蓝光OLEDs

首先利用具有热致延迟荧光特性的2CZPN作为蓝光染料以研究TADF材料在激基复合物混合主体中的光电性能.蓝光OLEDs的器件结构为ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/X(10 nm)/PO-T2T (50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm)，其中X分别为MCP∶PO-T2T (1∶1)、MCP∶2CzPN (10%)和MCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%).

蓝光OLEDs的电压-电流密度特性曲线如图2 (A)所示.其中明显看出在相同的电压下，mCP与PO-T2T的电流密度最低，这是由于mCP和PO-T2T之间较高的势垒差(-1.0 eV)导致的.同时发现，因为2CzPN与PO-T2T的势垒差(-0.4 eV)相对较小故而有效地降低了电子的传输势垒，图中掺入2CzPN的器件的电流密度得到了大幅提升.在相同的电压下，相对于传统空穴型主体材料mCP，激基复合物混合主体器件展现出更高的电流密度，这可能是由于电子传输材料PO-T2T的掺入有效地提升了空穴型主体材料mCP载流子平衡能力导致的.图2(B)中可以看出mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%)的峰值电流效率为25.6 cd/A远高于非激基复合物混合主体器件(mCP∶2CzPN (10%))也佐证了PO-T2T可以有效提升空穴型主体材料mCP载流子平衡能力这一观点.图2(C)中基于混合主体的器件展现出高达16 560 cd/m2的峰值亮度，几乎是非混合主体的2.5倍，说明对于TADF材料而言，相较于传统主体材料，激基复合物混合主体在能量传递方面由于具有更加复杂多样的单、三线态能级能充分地为发光染料传递更多的能量.从图2(D) 基于不同主体的蓝光OLEDs归一化电致发光光谱可以看出，mCP∶2CzPN(10%)在510 nm处展现了其特征PL峰，而采用mCP∶PO-T2T的蓝光OLED器件发光峰出现了明显的蓝移动并且半峰宽明显变宽.这主要是由于mCP∶PO-T2T的激基复合物的PL峰在481 nm处，因此半峰宽出现了明显的蓝移.

图2 基于不同主体的蓝光OLEDs电压-电流密度特性曲线(A)、电压-电流效率特性曲线(B)、电压亮度特性曲线(C)和归一化电致发光光谱(D)

2.2 基于双极性激基复合物混合主体的暖白光OLEDs

基于蓝光OLEDs的研究结果，设计了如下白光器件，器件结构如图3所示.将基于蓝光TADF染料2CzPN与黄色磷光染料PO-01-TB的发光层通过简单的堆叠构成发光层.因为主体的双极性特性，激子将分布于整个激子产生区.为了获得最佳的暖白光效果并验证激基复合物混合主体蓝光区和黄光区位置对于白光器件光电性能的影响，通过浓度和厚度的优化后设计如下器件：W1∶ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/MCP (10 nm)/mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1，10%，10 nm)/mCP∶PO-T2T∶PO-01-TB (1∶1，3%，3 nm)/PO-T2T (50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm)；W2∶ITO/HAT-CN (10 nm)/TAPC (30 nm)/mCP (10 nm)/mCP∶PO-T2T∶PO-01-TB (1∶1∶3%，3nm)/mCP∶PO-T2T∶2CzPN (1∶1∶10%，10nm)/PO-T2T(50 nm)/Liq (1 nm)/Al (100 nm).

器件W1和W2的区别在于黄光区和蓝光区的位置不同，W1中黄光区位于电子传输层一侧，蓝光区位于空穴传输层一侧，而W2则与之相反.在空穴传输层后利用主体材料MCP作为电子阻挡层，将来自阴极的电子阻挡在客体的周围，阻止其进一步向空穴传输层迁移，防止多余的能量损耗.

从图4 (A)白光器件的归一化电致发光光谱能够看出，蓝光区和黄光区位置的变化对器件的光谱基本没有影响.这是因为基于激基复合物混合主体具有双极性特性，器件激子产生区位于两侧，同时向中间层扩散，由于结构上的对称性，两侧掺杂客体的效果是等同的，因而对光谱几乎没有影响.但是同一个器件在不同的电压下表现出不同的光谱特征，其主要原因是随着电压的改变，激子的复合区域在发生变化[15].图4(B)和(C)为器件W1、W2在不同电压下的归一化电致发光光谱.当蓝光区位于阳极一侧，黄光区位于阴极一侧时，随着电压的增加，蓝光的发光强度逐渐减弱；而将蓝光层与黄光层对调后，光谱呈现出相反的变化规律.因此可以认为随着电压的增加，激子的主要复合区域在朝着阴极的一侧移动，黄光区和蓝光区的位置关系对白光器件的光谱几乎没有影响.

图3 白光OLEDs的结构

图4(D)显示了器件W1和W2的外量子效率-电流密度特性曲线.两个器件的启亮电压约为2.6 V，其中器件W2展现出更好的光电性能，其最大电流效率、外量子效率和功率效率分别可以达到87.6 cd/A、25.55%、110 lm/W.而W1的最大电流效率、外量子效率和功率效率分别为84.7 cd/A、23.6%、80.90 lm/W.同时发现器件W1随着电流密度的增加相对滚降更加明显.造成效率滚降的原因有很多，但主要的原因来自浓度淬灭效应[16].

图4 白光器件的归一化电致发光光谱(A)、器件W1和W2在不同电压下的归一化电致发光光谱(B—C)、器件W1和W2的外量子效率-电流密度特性曲线(D)

3 结论

本文验证了mCP和PO-T2T组成的双极性激基复合物混合主体作为TADF材料的母体依然具有较为优越的光电性能.基于该主体制备的蓝光器件的电流效率可以达到25.6 cd/A，最大亮度为16 560 cd/m2.在蓝光器件的基础上构成的暖白光OLED器件获得的最大外量子效率和功率效率分别可以达到25.55%和110 lm/W.相信随着双极性混合主体的进一步开发，可以获得性能更加优越的白光OLED器件.