双层电子传输层:提升有机电致发光器件性能的新思路

有机电致发光器件(organic light-emitting diode, OLED)作为新一代的显示和照明技术,有着传统技术无可比拟的优势:超薄的全固态组件使其应用范围极广,能适应各种极端环境;自体发光,几乎没有视角问题;响应速度快,在微秒量级,无残影现象。近年来,柔性光电子器件的发展更是吸引了世界各国科研界及产业界的广泛关注。

一般而言,在OLED器件结构中,相对于空穴的注入和传输,电子的注入与传输效率明显不足,这就导致了有机层中的电子和空穴不平衡,激子复合常常在发生在发光层和电子传输层界面处,导致效率滚降明显,严重影响了器件的稳定性。因而提高器件的电子注入及传输能力一直是OLED研究工作中的一个重要方向。其中,金属氧化物是一类非常有潜力的电子传输材料,它们通常具有高电导率、高可见光透过率、可大面积应用等优势。氧化锌(ZnO)作为其中的一员,受到了极大的关注;然而,当其被应用于OLED器件结构中时,却面临着一些难以解决的问题:ZnO与常见的磷光发光材料之间有着很大的势垒,导致电子注入困难,电子极易在界面处聚集甚至淬灭。

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近期,北京科技大学材料科学与工程学院李立东教授研究团队针对以上重要关键难题,开展了一系列研究工作。他们用溶液法设计了一种新型的具有双层电子传输层的结构,并获得了高发光效率,低效率滚降的磷光OLED器件。一方面,为了避免相邻功能层之间混溶,他们将ZnO纳米粒子改性,使其分散于非极性溶剂中,并通过掺入微量的长链高分子聚异戊二烯(PI),得到了非常光滑的ZnO:PI薄膜;另一方面,为了解决发光层界面处的电子聚集和淬灭问题,他们在发光层和氧化锌薄膜之间制备了另一功能层薄膜,即乙酰丙酮锂(Li(acac))和聚乙烯亚胺(PEI)的混合溶液旋涂而成的薄膜,从而得到双层电子传输层。该功能层降低了电子向发光层注入时的势垒,同时提高了电子迁移率。实验结果证明,一方面,ZnO薄膜成膜性的改善在一定程度上提高了器件的整体性能,尤其改善了器件发光效率滚降的问题;另一方面,相较于基于单一氧化锌电子传输层的器件,基于双层电子传输层结构的器件在各方面的光电性能均有明显提升:最大发光效率提升了两倍以上;当器件的亮度达到10000 cd/m2时,双层电子传输层器件的发光效率依然能保持在91%左右,而单一电子传输层器件发光效率已滚降至22%。从功函数的测量可以看出,该薄膜的功函数比ZnO薄膜的功函数降低了0.45 eV,从而促进了电子向发光层的注入;另外,通过在单载流子器件电流密度方面的表现可以看出,双层电子传输层的电子迁移率是单层器件的3000倍左右,这无疑也是一个巨大的进步。由此可见,双层电子传输层的结构有效的利用了不同材料的优势,通过它们之间的协同作用,提高了载流子的注入和传输性能,抑制了三线态激子淬灭,使得器件发光效率增加的同时,效率滚降也有了明显的改善,变得更加稳定。

该研究工作为新型OLED器件的设计制备和实际应用提供了新思路,具有重要的意义。相关工作发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201600244)上。