一种聚合物电致发光器件电流限制机制的研究

　　0　引言

　　自从美国柯达公司的C.W.Tang等人[1]于1987年研制出以八羟基喹啉铝(Alq3)为发光层的小分子薄膜双层结构的有机发光二极管以来,有机发光材料与器件越来越引起人们的重视。此后,1990年,英国剑桥大学的Burroughs等人[2]又成功地用导电聚合物对苯乙炔(PPV)作为发光层,制备了首个聚合物电致发光器件。由于聚合物电致光器件(PLED)具有低启动电压,高发光效率,宽发光范围等特性,其已经在平面全彩色显示等方面显示出了很广阔的应用前景,正在成为显示领域的研究热点。

　　PLED的基本结构为夹层式结构,工作时,电子和空穴分别从阴极和阳极注入,然后在发光层中复合,产生激子辐射衰减,从而导致了电致发光。对于器件电流-电压特性的分析是对器件物理性能分析的一个重要方面。器件电流限制机制主要有载流子注入限制和载流子输运体限制两种。对于器件载流子注入机制,不少研究小组都尝试过采用多种阴极结构来改变电子的注入特性,一般分为两类,一种采用具有低功函数的活泼金属作为器件阴极,另一类采用加入绝缘层的方式增强电子的注入[4-6]。对于载流子输运限制,也有多种模型,主要有空间电荷限制电流模型(SCLC)[7-9],以及电场作用下迁移率限制模型[10-11]。本文采用复合阴极(LiF/Al)结构,通过改变阴极修饰层LiF的厚度来改变电子的注入。而对于载流子输运体限制则采用改变有机发光层的厚度来实现。本文中器件阳极采用ITO,而阴极采用双层结构(LiF/Al),阳极修饰层采用PEDOT,发光层采用MEH-PPV。

　　1　实验

　　1.1　实验材料

　　本实验中PLED器件采用的是双层阴极结构,其结构中主要包括玻璃基板、氧化铟锡(ITO)阳极、空穴传输层poly(3,4-ethylenedioxythiophene)∶polystyrenesulfonate (PEDOT∶PSS)、有机发光层poly ( 2-methoxy-5-( 2’-ethylhexyloxy )-1, 4-phenylene vinylene)(MEH-PPV)、阴极修饰层以及铝(Al),即ITO/PEDOT∶PSS/发光层/buffer/Al。其中ITO作为透明阳极,电阻为25~30Ω,在整个可见光波段透光率大于85%,厚度为2 mm。PEDOT∶PSS为质量分数为1.9%的水溶剂。选用PEDOT∶PSS作为空穴传输层主要因为它能够改善ITO与有机层的界面特性,实验表明旋涂PEDOT∶PSS层能够在有效地修饰ITO表面的同时降低空穴注入势垒(大约降低0.5 eV)[10]。实验中所用的MEH-PPV分子量为70 000~100 000,并配成4.5 mg/ml的溶液,溶剂采用二甲苯与四氢呋喃的混合液(二甲苯与四氢呋喃体积比为2∶1)。

　　1.2　器件制备

　　先将3 cm×3 cm基片放在王水中用湿法刻蚀,将基片表面多余的ITO腐蚀掉,然后把刻蚀好的基片依次在丙酮、无水乙醇以及去离子水中超声清洗10 min,再用去离子水多次冲洗,然后烘干,接下来对ITO表面进行氧等离子体轰击,以改善ITO表面状况,提高功函数。此后,在空气中利用匀胶机在ITO表面均匀地旋涂一层40 nm左右的PEDOT∶PSS,然后利用真空干燥箱在133 Pa气压下加热1h,温度100℃,以除去PEDOT∶PSS膜层中蕴含的水分。接着在充满氮气的手套箱中在PEDOT∶PSS层上旋涂一层100 nm左右MEH-PPV溶液。旋涂完有机层后,将样品放置在100℃烤箱中烘烤30 min,去除表面的有机溶剂。然后,在小于2×10-3Pa的真空度下,于样品表面蒸镀一层Al或者LiF/Al阴极。其中Al的厚度为200 nm左右。器件制作完毕,我们在器件发光区周围均匀涂抹一层紫外曝光胶并盖上载玻片,用紫外曝光机照射进行固化,从而完成对器件的封装。器件的有效发光面积为2 mm×2 mm。