基于双极性发射的蓝光和白光OLED.docx
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基于双极性发射的蓝光和白光OLED
Efficientblueandwhiteorganiclight-emittingdevicesbasedonasinglebipolaremitter
基于单层双极发射的高效蓝光和白光OLED
SiluTao,ChunSingLee,andShuit-TongLee
CenterofSuper-DiamondandAdvancedFilms(COSDAF)andDepartmentofPhysicsandMaterials
Science,CityUniversityofHongKong,HongKongSAR,China
XiaohongZhang
Nano-organicPhotoelectronicLaboratoryandLaboratoryofOrganicOptoelectronicFunctionalMaterials
andMolecularEngineering,TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyof
Sciences,Beijing100080,China
_Received30March2007;accepted30April2007;publishedonline5July2007_
Excellentbipolarcarriertransportpropertiesof2,7-dipyrenyl-9,9_-dimethyl-fluorene_DPF_havebeenelucidatedbyusingdifferentdevicestructures.AnondopeddeviceusingDPFashostemittershowedhighly-efficientblueemissionwithamaximumefficiencyof6.0cd/AandCIEcoordinatesofx=0.15andy=0.19.Anotherdevicebasedonrubrene-dopedDPFasemissionlayergavepurehigh-efficiencywhiteemissionwithgoodcolorstability,amaximumefficiencyof10.5cd/A,andCIEcoordinatesofx=0.28andy=0.35.TheexcellentbipolartransportcapabilityandhighperformanceasbothemitterandhostsuggestthatDPFisanefficientandversatilematerialforvariousapplicationsinorganiclight-emittingdevices.
用不同器件结构阐述了DPF的优良双极载流子传输特性。
用DPF为主体的不掺杂器件显示出高效的蓝光发射,并伴有最大电流效率6.0cd/A,CIE坐标(0.15,0.19)。
另一个基于rubrene掺杂到DPF作为发光层的器件,获得了纯的并且高效的白光发射,同时具有好的色稳定性,该器件最大的电流效率为10.5cd/A,CIE坐标(0.28,0.35).优良的双极传输能力和作为发射体和主体都具有的高性能,说明DPF对于OLED不同应用是一个高效并且通用的材料。
Organiclight-emittingdevices_OLEDs_haveattractedmuchattentionduetotheirwideapplicationsinfull-colorflat-paneldisplaysandsolid-statelighting.ConsiderableprogresseshavebeenmadeinthepastdecadeonbothOLEDmaterialsanddevicestructures.Comparedtogreenemittingmaterials,theperformanceofblue-emittingmaterialsstillneedsfurtherimprovement.Goodblue-emittingmaterialsareimportantnotonlyasblueemitters,butalsoashostsfordopantemitterstofacilitateefficientgreenandwhiteemission.Further,whiteorganiclight-emittingdevicesarebecomingimportantforpracticalapplicationsassolid-statelightingandbacklightsforliquid-crystaldisplays.
由于OLDEs在全色平板显示和固态照明领域广泛的应用已经引起了极大的关注。
过去十年中关于OLED的材料和器件结构方面都取得了相当大的进展。
与绿光材料相比较,蓝光发射材料的性能仍需要进一步改进。
好的蓝光发射材料不仅对于作为蓝光发射体是重要的,对于掺杂体中作为主体去促进高效绿光和白光发射也是重要的。
另外,白色olde在固态照明和液晶显示的背光源的实际应用中变得重要。
Onepossiblewaytoimprovedeviceperformanceistousegoodemitterswithbipolarchargetransportproperty.TherearereportsonbipolaremittingmaterialsinOLEDs;however,duetodonor-acceptor(D-A)architectures,mostofthememitinlongerwavelength,suchasingreenandyellowregion,andveryfewwereonbipolarblueemitters.Inaddition,thereportedbipolarmaterialsusuallyhaveaD-Astructurewhichusuallyleadstofluorescencequenchinginsolidfilm.
一种可能改进器件性能的方式是用带有双极电荷传输特性的优良发射体。
在OLEDs领域有关于双极发射材料的报道;然而,由于受体结构,它们中的大部分发射较长波长,例如绿光和黄光区域,极少在双极蓝光发射。
另外,已经报道的双极材料通常有D-A结构,该结构在固态薄膜中通常导致荧光淬灭。
Ithasbeenreportedthatfluorenederivativeswithsuitablesubstituentsinthefluorenebackboneareefficientblueemitters.Inparticular,thefluorenederivative,2,7-dipyrenyl-9,9_-dimethyl-fluorene(DPF)withpyrenegroupsat2and7positions,exhibitedahighthermalstabilityandgoodblue-emittingproperty.Inthisletter,weshowthatDPFnotonlyhashighlyefficientblueemission,butalsoexcellentbipolarchargetransportpropertiesforuseasahigh-performancehostfordopantemitters.
已经报道了在芴的主干上带有合适取代基的芴的衍生物是高效的蓝光发射体。
特别是这种芴的衍生物DPF,它在2和7的位置上带有芘团,展示了高的热稳定性和良好的蓝光发射特性。
在这篇文章中,我们不仅展示了DPF具有高效蓝光发射,也展示了DPF对于用作掺杂体的高性能主体的优良双极电荷传输特性。
Figure1_a_showsthechemicalstructuresofDPF.4,4’-
bis_N-_1–naphthyl_-N-phenylamino_biphenyl_NPB_wasusedasaholetransportlayer_HTL_,2,2’,2”-_1,3,5–benzenetriyl_tris_1–phenyl-1H-benzimidazole__TPBI_asanelectrontransportlayer_ETL_,tris-_8–hydroxyquinoline_aluminum_Alq3_asanemittinglayerandanelectrontransportlayer,and5,6,11,12–tetraphenyl-naphthacene_Rubrene_asayellowdopant.Experimentalproceduresweredescribedindetailelsewhere.ToinvestigatetheelectroluminescenceandchargetransportingpropertiesofDPF,sixdevicestructures
wereused:
_I_ITO/DPF_100nm_/MgAg,_II_ITO/DPF_60nm_/Alq3_60nm_/MgAg,_III_ITO/DPF_60nm_/TPBI_60nm_/MgAg,_IV_ITO/NPB_80nm_/
DPF_40nm_/MgAg,_V_ITO/NPB_70nm_/DPF_30nm_/TPBI_50nm_/MgAg,and_VI_ITO/NPB_70nm_/DPF:
dopant_20nm_/TPBI_50nm_/MgAg.
图1(a)显示DPF的化学结构。
NPB用于空穴传输层,TPBi用于电子传输层,Alq3用于发光层和电子传输层,Rubrene作为黄光掺杂。
实验过程以被在其他地方详细介绍。
为了研究DPF的电致发光和电荷传输特性,制备了六组器件:
(I)ITO/DPF_100nm_/MgAg,
(II)ITO/DPF_60nm_/Alq3_60nm_/MgAg,
(III)ITO/DPF_60nm_/TPBI_60nm_/MgAg,
(IV)ITO/NPB_80nm_/DPF_40nm_/MgAg,
(V)ITO/NPB_70nm_/DPF_30nm_/TPBI_50nm_/MgAg,
(VI)ITO/NPB_70nm_/DPF:
dopant_20nm_/TPBI_50nm_/MgAg.
FIG.1._Coloronline__a_MolecularstructureofDPF
ToascertainthebipolarcarriertransportpropertiesofDPF,weexamineddeviceIcomprisingofasingleDPFlayersandwichedbetweentheanodeandcathode_deviceI_.Thesingle-layerdevicegivesabrightblueemissionwithapeakat480nmandCIEcoordinatesofx=0.17andy=0.28.Thesimilarityoftheelectroluminescence_EL_andphotoluminescence_PL_spectraofDPFfilmindicatesthatELofthe
devicearisesfromtheemissionofthesingletexcitedstateofDPF.TableIliststhekeyperformanceparametersofallsixdevices.DeviceIshowsamaximumcurrentefficiencyof0.8cd/Aoranequivalentpowerefficiencyof0.6lm/W.Figure1_b_showstheturn-onvoltage_definedasthedrivingvoltageneededtoproduceabrightnessof1cd/m2_ofdeviceI,whichisrelativelylowforasingle-layerdevice,giving3cd/m2at4.5V.Thehighefficiencyandlowturn-onvoltageofthesingle-layerdeviceIindicatethatDPFhasdecentbipolartransportpropertiesforbothholesandelectrons
为了确定DPF的双极载流子传输特性,我们检查了器件I,它是由在阳极和阴极间夹一单层DPF构成的。
该单层器件发出了很亮的蓝光发射,伴有480nm发光峰,CIE坐标为(0.17,0.28).相似的PDF的EL和PL发光光谱表明,器件的EL发射源于DPF的单限激发态。
表I列出了六个器件的关键性能参数。
器件I显示出0.8cd/A最大的电流效率对应功率效率0.6lm/W.图I(b)显示开启电压由驱使电压使器件I的亮度达1cd/m2决定的,相对单层器件该电压相对较低,在4.5V时发光3cd/m2.
单层器件I的高效和低的开启电压表明,DPF对于空穴和电子都具有相当好的双极传输特性。
TofurtherinvestigatethebipolarcarriertransportpropertiesofDPF,wefabricateddevicesII,III,andIV.Inthetypicaltwo-layerdeviceII,DPFwasusedasHTLandAlq3asETL.
进一步研究DPF的双极载流子传输特性,我们制作了器件II,III,和IV。
在典型的双层器件II中,DPF被用于HTL同时Alq3作为ETL.
TheDPF/Alq3devicegivesgreenemissionpeakingat540nmduetoAlq3emission.TableIshowsthatthetwolayerdevicehasamaximumefficiencyof4.1cd/A_1.7lm/W_,whichiscomparabletoorevenbetterthantheperformanceoftheprototypicalNPB/Alq3two-layerdevice.IndeviceIII,Alq3isreplacedbyTPBI,whichhasalowlyingHOMOlevelandisoftenusedasbothETLandholeblocker.
该DPF/Alq3的器件由于Alq3发光所以在540nm处发出绿色发光峰。
表I显示双层器件最大电流效率为4.1cd/A,功率效率为1.7lm/W,可以与典型的NPB/Alq3双层结构器件的性能相比较,甚至比它还要好。
器件III中,Alq3被TPBI取代,
由此具有低的HOMO能级同时经常被用作ETL和空穴阻挡。
DeviceIIIgivesblueemissionpeakingat473nmduetoDPF,withamaximumpowerefficiencyof2.8lm/W.Duetothelargehole-injectionbarrierattheDPF/TPBIinterface,holesandthusexcitonsareprimarilyconfinedinDPF,leadingtoelectroluminescencepurelyfromDPF.
器件III由于DPF所以在473nm处有蓝色发光峰,伴有最大功率效率为2.8lm/W。
由于在DPF/TPBI界面存在大的空穴注入势垒,空穴和激子被主要限制在DPF中,导致电致发光纯来自于DPF.
DataofdevicesIIandIIIconfirmthatDPFhasgoodholetransportandemissionproperties.DeviceIVwithaNPB/DPFtwo-layerstructuregivesefficientandbrightblueemissionpeakingat480nmduetoDPFemission.
器件II和III的数据证实了DPF具有好的空穴传输和发光特性。
带有NPB/DPF双层结构的器件IV,由于DPF发光,导致高效同时高亮度蓝光发射,发射峰在480nm处。
Thisdevicehasalowturn-onvoltageof2.8Vandahighcurrentefficiencyof6.9cd/A_4.1lm/W_.IndeviceIV,DPFactsbothastheemittinglayerandelectrontransportlayer.Thelowturn-onvoltageandthehighefficiencyindicatethatDPFhashighelectronmobilityandcanactasagoodelectrontransportlayer.
该器件具有低的开启电压2.8V,和高的电流效率6.9cd/A(4.1lm/W)。
在器件IV中,DPF同时作为发光层和电子传输层。
低的开启电压和高的效率表明DPF具有高的电子迁移率和可作为好的电子传输层。
AlthoughDPFhasgoodelectronandholetransportproperties,thesingle-layerdevice_deviceI_hasamuchlowerefficiencythanthetwo-layerdevice_deviceII_.ThisispartlyduetothepoormatchingoftheHOMOandLUMOlevelsofDPF,respectively,withtheworkfunctionoftheanodeandcathode.
尽管DPF具有好的电子和空穴传输特性,单层器件I比双层器件II具有更低的功率效率。
部分由于DPF的HOMO和LUMO能级分别与阳极和阴极的功函数具有不好的匹配。
Theimbalancebetweenholeandelectroncurrentsisanotherweakness,whichcontributestothelowerefficiencyofsingle-layerdeviceI.Althoughhigh-efficiencyblueemissionwithamaximumefficiencyof4.1lm/WwasachievedindeviceIVwithatwo-layerstructure,thecolorisneverthelessbluegreenwithpeakemissionat480nmandCIEcoordinatesofx=0.16andy=0.28.
空穴和电子间流动的不平衡是导致单层结构的器件I的低效率的另一个缺点。
尽管双层结构的器件IV获得了伴有4.1lm/W最大功率效率的高效的蓝光发射,它的颜色是蓝绿色,发光峰在480nm,CIE坐标(0.16,,028)
Thesevaluesdeviatefrompureblue_CIEcoordinatesaroundx=0.14andy=0.18_.Toimprovedeviceperformanceandcolorpuritywefabricatedathree-layerdevicewithaconfigurationofITO/NPB/DPF/TPBI/MgAg_deviceV_.
这些值偏离存蓝光CIE坐标(0.14,0.18).为了改进器件的性能和色纯度,我们制备了三层器件,结构为ITO/NPB/DPF/TPBI/MgAg即器件V。
Thethree-layerdeviceVgivesabrightblueemissionwithI-V-LcharacteristicsasshowninFig.2_a_.Thedevicehasaturn-onvoltageofonly3.3V,amaximumbrightnessof9560cd/m2at9.5V,andacurrentdensityof165mA/cm2.TheELspectrumofthedevice_theinsetofFig.2_a__showsapeakat468nmandCIEcoordinatesofx=0.15andy=0.19.
三层结构的器件V具有很亮的蓝光发射,它的I-V-L特性显示在图2(a)中。
该器件的开启电压仅为3.3V,在9.5V时最大亮度为9560cd/m2,电流密度165mA/cm2.
它的EL光谱在图2(a)的插图中,发光峰在468nm处同时CIE
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- 基于 极性 发射 光和 白光 OLED