石墨烯薄層對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件性能的影響

高永慧，路 瑩，韓 強(qiáng)，張 剛，姜文龍

(吉林師范大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林四平136000)

有機(jī)電致發(fā)光器件(organic light-emitting devices，OLEDs)具有自主發(fā)光、耗能低、寬視角、成本較低、效率高及顯色指數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)，早已引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視［1-3］.近年來(lái)，OLEDs已初步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，廣泛地應(yīng)用在小面積顯示領(lǐng)域中.為滿(mǎn)足大范圍商業(yè)化應(yīng)用的需求，降低成本，提高效率，研究人員從制備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及新材料合成等角度進(jìn)行研究［4-7］.Hou Jianhua 等［8］把MoO3/C60作為雙空穴注入層應(yīng)用倒置型頂發(fā)射OLEDs中，器件性能得到明顯提高.Wu Xiaoming等［9］將C60/NPB:MoO3作為互連層應(yīng)用在有機(jī)疊層器件中，制備了高效的OLEDs.

本課題組基于有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化的思想，將無(wú)機(jī)材料CdS應(yīng)用到OLEDs中［10］，取得較好的效果.石墨烯(Graphene)［11-12］因其特有的光電特性成為近年研究熱點(diǎn).石墨烯具有很高的載流子遷移率，據(jù)報(bào)道［13］達(dá) 200 000 cm2·(V·S)-1，非常好的傳導(dǎo)性和透明度.石墨烯基本組分為碳元素，因此，石墨烯價(jià)格便宜，無(wú)污染.石墨烯的功函數(shù)(4.6 eV)和ITO的功函數(shù)(4.8 eV)比較接近，碳納米管作為OLEDs的陽(yáng)極已有報(bào)道［14］，石墨烯作為透明電極應(yīng)用于OLEDs器件中也已有人開(kāi)展了相關(guān)研究［15］，但尚未見(jiàn)將石墨烯薄層直接應(yīng)用在OLEDs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)研究報(bào)道.為此，本研究將石墨烯薄層應(yīng)用在OLEDs結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考察其在不同位置對(duì)OLEDs性能的影響.

1 試驗(yàn)

為了研究石墨烯薄層對(duì)有機(jī)電致發(fā)光器件性能的影響，不插入石墨烯薄層或?qū)⑹┍硬迦氲讲煌恢脴?gòu)成4組器件，即 A(ITO/石墨烯(0.5 nm)/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))，B(ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))，C(ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/石墨烯(0.5 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm))和D(ITO/NPB:石墨烯(10%)(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF(0.5 nm)/Al(120 nm)).

本試驗(yàn)研究是在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取石墨烯的最佳厚度為0.5 nm.這4組石黑烯器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所示:器件A為在NPB和ITO之間引入石墨烯薄層(0.5 nm);器件B為標(biāo)準(zhǔn)器件，沒(méi)有引入石墨烯;器件C為在LiF和Alq3之間引入石墨烯薄層(0.5 nm);器件D為在NPB中摻雜10%的石墨烯作為空穴傳輸層.器件中Alq3和NPB的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

器件是以帶有銦錫氧化物玻璃片(ITO玻璃)為襯底，ITO作為器件的陽(yáng)極.以標(biāo)準(zhǔn)器件ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/Al作為基本結(jié)構(gòu)，制備了器件A，B，C和 D.試驗(yàn)中使用的 ITO玻璃基片(40 Ω·sq-1)由深圳南玻公司生產(chǎn)，有機(jī)材料購(gòu)買(mǎi)于吉林奧萊德公司，石墨烯購(gòu)買(mǎi)于北京島金公司，其熱蒸鍍溫度為600℃.

圖1 有機(jī)材料化學(xué)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)中將ITO玻璃襯底分別用丙酮、乙醇和去離子水擦拭，并采用超聲，各3次，最后置于恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥.有機(jī)膜的蒸鍍?cè)诙嘣从袡C(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中進(jìn)行.

將所用材料分別放在不同的蒸發(fā)源中，每個(gè)蒸發(fā)源的溫度可以單獨(dú)控制，蒸發(fā)速率控制在0.1～0.2 nm·s-1，在生長(zhǎng)的過(guò)程中系統(tǒng)的真空度維持在4×10-4Pa左右.最后在5×10-3Pa的真空度下蒸鍍陰極120 nm的Al.

器件亮度-電流-電壓特性及電致發(fā)光光譜由計(jì)算機(jī)控制的可編程的電流-電壓源Keithley Source 2400和光譜掃描光度計(jì)PR655所構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量.有機(jī)膜厚度由上海產(chǎn)FTM-V型石英晶體膜厚儀來(lái)監(jiān)測(cè).所有數(shù)據(jù)都是在室溫的大氣中測(cè)得.

2 結(jié)果與分析

器件A經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，始終沒(méi)有啟亮，器件BD都能夠啟亮.A不亮是因?yàn)槭┦且环N半導(dǎo)體材料，該層直接與ITO接觸，產(chǎn)生漏電流，電極不能正常工作，最終沒(méi)啟亮.B-D的電流密度-電壓特性曲線(xiàn)如圖2所示.

從圖2可知:在驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)11 V后，同一電壓下，B的電流密度最低;C的電流密度比B高;D的電流密度最大，表現(xiàn)出最佳的載流子傳輸特性.這是因?yàn)槭诫s層的引入，使器件內(nèi)達(dá)到一個(gè)較好的空穴濃度，所以器件D的電流密度最大.因此，說(shuō)明石墨烯的引入對(duì)器件的載流子注入提高是有益的.

器件亮度-驅(qū)動(dòng)電壓特性曲線(xiàn)如圖3所示.由圖3可以看出:石墨烯薄層引入沒(méi)有降低器件的啟亮電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)10 V后，同一電壓下，D的亮度最大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為15 V時(shí)，最大亮度達(dá)到10 070 cd·m-2.發(fā)光亮度的提高，主要由于NPB層中摻雜石墨烯提高了激子形成的幾率.

圖4為器件效率-電壓特性曲線(xiàn).從效率-電壓特性曲線(xiàn)也可以看出，在電壓超過(guò)11 V時(shí)，D的效率最高.當(dāng)電壓到達(dá)15 V時(shí)，電流效率達(dá)到最大，為3.40 cd·A-1，主要由于NPB中摻雜石墨烯，形成具有空穴阻擋作用的阻擋層，使載流子的注入更加平衡，形成激子的比率增加，從而使器件效率的得到提高.B，C和D在18 V后均產(chǎn)生明顯的效率下降，主要由于發(fā)光飽和而導(dǎo)致的效率下降.

圖2 器件的電流密度-電壓特性曲線(xiàn)

圖3 器件的亮度-電壓特性曲線(xiàn)

圖4 器件效率-電壓特性曲線(xiàn)

為了證明石墨烯薄層的引入沒(méi)有改變器件的發(fā)光光譜，分析了器件在電壓為14 V時(shí)的歸一化光譜，如圖5a所示.從圖5a中可以看出，器件的光譜沒(méi)有發(fā)生改變，主峰還是位于540 nm附近處Alq3發(fā)射峰，從圖5b可以看出，器件的色度沒(méi)有改變，色坐標(biāo)基本保持在(0.35，0.52)附近.

圖5 電壓14 V時(shí)器件的歸一化光譜及色坐標(biāo)

3 結(jié)論

分別制備了4組器件:即在結(jié)構(gòu)為ITO/NPB(50 nm)/Alq3(80 nm)/LiF/Al的有機(jī)電致發(fā)光器件中，不插入石墨烯薄層;將石墨烯薄層分別插入到NPB和ITO之間;將石墨烯薄層分別插入到Alq3和LiF之間;在NPB中摻雜石墨烯.對(duì)石墨烯薄層對(duì)OLEDs性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在NPB中摻雜石墨烯的取得了較好的效果，其最大亮度和最大電流效率分別達(dá)到10 070 cd·m-2和3.40 cd·A-1;石墨烯的引入對(duì)OLEDs性能的提高是有益的，增大了器件的效率和亮度，通過(guò)更深入的機(jī)制探索，OLEDs性能還會(huì)有進(jìn)一步提高.

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