基于Ir(ppy)3的绿色电致磷光器件性能的优化研究

摘要

基于磷光染料的有机电致发光器件(PHOLED: phosphorescent organiclight-emitting diodes)可以同时捕获电致激发的单线态和三线态的激子，使器件的内量子效率有望实现100％，因而近年来得到了广泛的研究和关注。PHOLED的研究热点主要集中在如何有效地提高器件发光效率、抑制高电流密度下效率的快速衰减（roll-off）、延长器件的工作寿命。为了提高磷光器件的效率，一方面，要提高载流子的注入和传输，构建平衡的电子与空穴传输系统，降低漏电流，提高激子的形成几率;另一方面，要将具有较长寿命的三线态激子有效地限制在发光层中。为了实现载流子注入、传输的平衡，也为了将激子有效地限制在发光层中，常需要构建能级结构匹配的有机异质结。但是有机异质结也带来了负面效应，有机异质结界面常常会产生正电荷积累，形成化学不稳定的阳离子，导致器件的劣化;此外，异质结器件高的驱动电压产生高的焦耳热也加速了有机材料的劣化。为了延长器件的寿命，应尽可能减少异质结界面，阻止载流子在界面的积累，降低驱动电压，但又会导致载流子复合几率减少，激子容易扩散到载流子传输层而淬灭。基于此，本文在一个多异质结器件A: ITO/NPB/CBP:Ir(ppy)3/Bphen/Alq3/LiF/Al的基础上，对其载流子传输层及发光层进行优化设计，目的是减少或取消异质结界面仍可以实现载流子传输和复合的有效调控，仍可以将三线态激子有效地限制在发光层内，从而使器件的发光效率和寿命同时得到提高。本文完成的主要工作如下:
　　 (1)选择一种既可以作为激子和空穴阻挡层，又能有效传输电子的有机功能材料，取代Alq3作为电子传输层，消除位于阻挡层和电子传输层间的异质结界面，同时提高电子的传输能力，以改善器件的性能。本文从TPBi/BAlq/Bphen/BCP四种常用的激子阻挡材料中进行筛选，通过查阅文献和实验探究，最终确定利用Bphen代替Alq3作为电子传输材料，制备了器件B: ITO/NPB/CBP:Ir(ppy)3/Bphen/LiF/Al。经过电子传输层的优化，使器件的性能得到了一定的提高，其最大亮度为50002 cd/m2，获得最大电流效率和功率效率分别为25.0 cd/A和10.6 lm/W。器件的亮度得到了大幅地提升，而效率提升幅度有限。此外，器件的寿命得到了很大的改善，封装之后在恒定电流密度的驱动下，器件初始亮度为500 cd/m2时，器件的寿命为340 h，而在相同的测试条件下，参考器件A的寿命为76 h。
　　 (2)在上述器件B的基础上，通过应用合适的P型CBP传输结构代替NPB作为空穴传输层，消除位于NPB/CBP间的异质结界面，进一步改善器件的性能。本文分别研究了以MoO3和FeCl3作为掺杂剂，在不同掺杂浓度下，P-CBP体系的空穴传输性能，最终确定以CBP:MoO3(15％)的P型结构作为空穴传输层，制备了单异质结器件C:ITO/CBP:MoO3(15％)/CBP/CBP:Ir(ppy)3/Bphen/LiF/Al。器件C进一步消除了空穴传输层/发光层的异质结界面，而且有效地提升了器件的空穴传输能力，使器件性能得到进一步提升。器件C获得最大亮度为69000 cd/m2;最大电流效率和功率效率分别为29.2 cd/A和17.6 lm/W，是参考器件A的1.3倍和1.7倍。在封装的情况下，器件初始亮度为500 cd/m2时，器件的寿命为836 h，大约为参考器件A寿命的11倍。
　　 (3)在器件C的基础上，利用N型掺杂剂对Bphen进行化学修饰，来进一步提高器件的电子传输能力，最终形成以N型Bphen与P型CBP为载流子传输体系的高效、平衡的载流子传输系统，使器件的性能得到更大的提升。本文分别将一些常用的N型掺杂剂Alq3、LiF和CsF掺杂到Bphen中，研究了在不同掺杂浓度下，N-Bphen结构的电子传输能力。实验发现，当Alq3、LiF作为N型掺杂剂时，会使Bphen的传输能力变得更差，而将CsF掺杂在Bphen中，能有效地提高其电子传输性能。特别地，当掺杂浓度为33％时，N-Bphen结构的电子传输与P-CBP(MoO3掺杂浓度为15％)结构的空穴传输能力实现了较完美的匹配。最终利用Bphen:CsF(33％)代替Bphen制备了器件 D: ITO/CBP:MoO3(15％)/CBP/CBP: Ir(ppy)3/Bphen:CsF(33％)/LiF/Al。经过电子传输层的优化之后，器件D的载流子传输性能更加平衡，使器件的性能获得了更大幅度地提高，其最大亮度为109004 cd/m2;最大电流效率和功率效率分别为40.9 cd/A和32.1 lm/W，是参考器件的1.8倍和3倍。在封装的情况下，器件初始亮度为500 cd/m2时，器件的寿命为1184 h，约为参考器件寿命的16倍。
　　 (4)在单异质结器件C的基础上，通过引入双发光层和混合主体结构优化发光层来提高器件的性能。首先制备了以CBP和Bphen为主体的双发光层器件E:ITO/CBP:MoO3(15％)/CBP/CBP:Ir(ppy)3(20nm)/Bphen:Ir(ppy)3(10nm)/LiF/Al。器件E获得的最大电流效率和功率效率分别是32.5 cd/A和32.7 lm/W，器件的寿命长达2196.5 h;然后制备了基于CBP和Bphen的混合主体[CBP:Bphen(50％)]结构器件F:ITO/CBP:MoO3(15％)/CBP/[CBP:Bphen]:Ir(ppy)3/Bphen/LiF/Al。器件获得最大电流效率和功率效率分别为39.8 cd/A和41.6 lm/W，器件的寿命达3674 h。经过对发光层的优化进一步提升了器件的性能。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 有机电致发光器件的发展

1．2 有机电致发光器件的工作原理及典型结构

1．2．1 器件的发光原理

1．2．2 典型器件结构

1．3 常见的电致发光器件性能参数

1．3．1 发射光谱

1．3．2 发光效率

1．3．3 器件寿命

1．4 本论文研究内容及意义

第二章 有机电致发光器件的制备

2．1 实验材料及设备

2．1．1 实验材料介绍

2．1．2 实验设备介绍

2．2 器件结构设计

2．3 器件制备流程

2．4 性能参数测试

2．5 本章小结

第三章 电子传输层的优化设计

3．1 电子传输材料的选择

3．2 Bphen作为电子传输层对器件性能的改善

3．3 本章小结

第四章 空穴传输层的优化设计

4．1 P-CBP空穴传输体系的探索

4．2 CBP：MoO3作为空穴传输层对器件性能的改善

4．3 本章小结

第五章 平衡载流子传输体系的构建

5．1 N-Bphen电子传输体系的探索

5．2 Bphen：CsF作为电子传输层对器件性能的改善

5．3 本章小结

第六章 优化发光层结构来改善器件的性能

6．1 混合主体发光层结构的探索

6．2 双发光层和混合发光层结构器件的性能

6．3 本章小结

第七章 总结和展望

参考文献

致谢

硕士阶段科研成果