CN102709475A - 碱金属铷化合物作为缓冲层或电子注入层的有机半导体器件 - Google Patents

碱金属铷化合物作为缓冲层或电子注入层的有机半导体器件 Download PDF

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张健
崔国宇
高志杨
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Abstract

本发明属于有机半导体器件技术领域，具体涉及一种应用碱金属铷化合物作为阴极缓冲层材料或电子注入层N型掺杂材料的有机半导体器件。碱金属铷化合物为RbBr、Rb2CO3、Rb2SO4、RbOH、RbNO3、RbClO4，RbCl、RbI、RbF等。本发明将Rb的化合物形成单一阴极缓冲层或与有机材料共掺杂制作在有机半导体器件中有机层和阴极之间，有效地增强了有机半导体器件的电子注入和传输，进而提高有机半导体器件的各项性能。

Description

碱金属铷化合物作为缓冲层或电子注入层的有机半导体器件
技术领域
本发明属于有机半导体器件技术领域，具体涉及一种应用碱金属铷化合物作为阴极缓冲层材料或电子注入层掺杂材料的有机半导体器件。
背景技术
在有机半导体器件中，由于半导体材料与电极之间的电子注入势垒过大，导致半导体器件中电子很难从电极注入到半导体器件中，且有机电子传输材料的电导率比较低，很难与金属电极产生欧姆接触，从而导致有机半导体器件的性能难以得到提高。
以有机发光器件（Organic Light-Emitting Device,OLED）为例，OLED因其具有全固态、主动发光、亮度高、视角宽、工作温度范围大以及可制作在柔性衬底上等诸多优点从而成为人们研发的热点，有机发光器件也被视为下一代的显示和照明技术之一。但是OLED性能同样受到电子从电极到有机层注入困难、有机传输材料迁移率和电导率低等问题的制约。同时也因为有机半导体材料空穴传输材料的空穴迁移率一般要远大于有机电子传输材料的电子迁移率，这种情况极易导致有机发光器件发光区内的电子与空穴数量不平衡，也影响器件的性能。
现在普遍采用的方法之一是在阴极和有机材料层之间加入一层促进电子注入的缓冲层材料，如在Al电极和有机材料层之间加入LiF、Cs2CO3的缓冲层。另外一种办法是采用电学掺杂，电学掺杂分为N型电学掺杂和P型电学掺杂，现在N型电学掺杂主要是采用碱金属盐类化合物作为N掺杂剂，已应用到有机发光器件中改善电子从电极到有机层的注入和电子在有机层中的传输。目前Li和Cs的化合物作为电极缓冲层或N型电学掺杂剂材料已被广泛的应用，早期Li的化合物如LiF应用较多，但是由于Li的原子尺寸比较小易扩散进入有机发光器件的发光区影响器件的性能，因此原子尺寸较大的化合物如Cs2CO3后来逐渐被应用，但是由于多数Li和Cs化合物的蒸镀温度很高，比如LiF和Cs2CO3的蒸镀温度达到600摄氏度以上，过高的蒸镀温度增加工艺，同时高温工艺会对器件产生负面的影响，不利于工业化生产。因此，需要进一步的探索蒸镀温度较低的电极缓冲层或N型掺杂剂材料，如与有机材料的蒸镀温度想进则显得很有意义，也十分必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用碱金属铷化合物作为阴极缓冲层材料或电子注入层掺杂材料的有机半导体器件。
是利用Rb化合物作为有机半导体器件（有机发光器件、有机太阳能电池、有机薄膜晶体管等）的阴极缓冲层（2~8nm）材料或电子注入层的N型掺杂剂（2~8%体积）材料，改善电子从阴极到有机层的注入和电子在有机层中的传输，从而提高器件的性能。本发明利用真空蒸镀的方法将Rb化合物作为阴极缓冲层材料或电子注入层的N型掺杂剂材料添加在阴极和有机层之间。Rb的化合物为RbBr，Rb2CO3，Rb2SO4，RbOH，RbNO3，RbClO4，RbCl，RbI或RbF。
本发明的有益效果
本发明提出将Rb化合物作为阴极缓冲层材料或电子注入层的N型掺杂剂材料应用在有机半导体器件中以提高有机半导体器件的电子注入。以有机发光器件为例，通过添加Rb化合物的单质缓冲层或掺杂层可以提高电子的注入和传输，也使发光区的电子数量增加，发光区的电子和空穴数量更加平衡，从而使器件的性能如工作电压、效率得到改善。因此，Rb化合物是一种可以有效地提高有机半导体器件性能的电极缓冲层和N型电学掺杂剂材料。
附图说明
图1：Rb化合物作为电极缓冲层的有机发光器件结构示意图；
各部分名称为：透明基板（玻璃）1、透明阳极（ITO）2、空穴传输层3、电子传输和发光层4、Rb化合物阴极缓冲层5、金属阴极6；
图2：不同缓冲层厚度器件的亮度-电压曲线；
图3：不同缓冲层厚度器件电流密度-电压曲线；
图4：不同缓冲层厚度器件的功率效率-电压曲线；
图5：Rb化合物作为N型掺杂剂时器件结构示意图；
各部分名称为：透明基板（玻璃）1、透明阳极（ITO）2、空穴注入层7、空穴传输层3、电子传输和发光层4、有机/Rb化合物掺杂层8（电子注入层）、金属阴极6；
图6：不同掺杂浓度器件的亮度-电压曲线；
图7：不同掺杂浓度器件的电流密度-电压曲线；
图8：不同掺杂浓度器件的功率效率-电压曲线。
具体实施方式
实施例1：制备底发射型有机发光器件
本发明在制作底发射型有机发光器件的流程：首先对ITO玻璃进行清洗，然后烘干，再用紫外光处理10分钟，将ITO基板转移至真空蒸镀系统中，当真空度达到4×10-4pa时则进行有机层（包括空穴传输层3和电子传输和发光层4，和/或空穴注入层）、阴极缓冲层（或者有机/Rb掺杂层）的蒸镀，最后取出器件后在其上蒸镀铝电极，上述工艺结束后测试器件性能。
本实施例将Rb化合物材料引入有机发光器件中作为阴极缓冲层（或者掺杂层）材料，以提高器件的电子注入和传输，在太阳能电池的制备中，可以选取旋涂方式来制备器件。
为了验证本发明的有效性，实验选取了Rb化合物RbBr作为阴极缓冲层应用于有机发光器件（OLED）中，本发明首先制作结构为ITO玻璃/NPB（60nm）/Alq3（60-xnm）/RbBr（xnm）/Al的有机发光器件，x=2~8nm。
如图1所示，其中透明衬底采用可见光透过性好的平板玻璃，透明阳极采用ITO，NPB作为空穴传输层材料，Alq3作为电子传输层和发光层材料，Rb化合物RbBr作为阴极缓冲层加在阴极Al和电子传输层之间。RbBr层选取的厚度为0nm，2nm，4nm，6nm，8nm，我们分别设定这五个器件为器件A，器件B，器件C，器件D，器件E。图2、图3和图4分别给出了不同厚度的缓冲层器件的亮度-电压曲线、电流密度-电压曲线和功率效率电压曲线。从这三幅图可以明显看出经过添加RbBr缓冲层后，器件的在相同的驱动电压下的亮度、电流密度和功率效率都得到极大的提高。
本发明还制作了结构为ITO/MoO3（8nm）/NPB（50nm）/Alq3（50nm）/RbBr：Alq3（x%，10nm）/Al的RbBr掺杂（掺杂采用双源共蒸镀）器件，实验所选取的（体积比）掺杂浓度为0%，2%，4%，6%和8%。实验结果表明进行合理的RbBr掺杂可以有效地提高器件的性能。
如图5所示，其中透明衬底采用可见光透过性好的平板玻璃，透明阳极采用ITO，MoO3作为空穴注入层材料，NPB作为空穴传输层材料，Alq3作为电子传输层和发光层材料，Alq3：RbBr作为电子注入层材料，实验所选取的掺杂浓度为0%，2%，4%，6%和8%。我们分别设定这五个器件为器件N，器件O，器件P，器件Q，器件R。图6、图7和图8分别给出了不同的掺杂浓度器件的亮度-电压曲线、电流密度-电压曲线和功率效率-电压曲线，从这三幅图可以明显看出RbBr掺杂后，器件在相同的驱动电压下的亮度、电流密度和功率效率都得到极大的提高。其中，器件发光亮度和电流密度对应的最佳掺杂浓度为2%；功率效率对应的最佳掺杂浓度为6%。

Claims (8)

1.一种有机半导体器件，其特征在于：以Rb化合物作为有机半导体器件的阴极缓冲层材料，该阴极缓冲层处于有机半导体器件的有机层和阴极之间。
2.一种有机半导体器件，其特征在于：以作为N型掺杂剂的Rb化合物和有机材料共掺杂作为电子注入层材料，该电子注入层处于有机半导体器件的有机层和阴极之间。
3.如权利要求1或2所述的一种有机半导体器件，其特征在于：有机半导体器件为有机发光器件、有机太阳能电池或有机薄膜晶体管。
4.如权利要求3所述的一种有机半导体器件，其特征在于：Rb的化合物为RbBr，Rb2CO3，Rb2SO4，RbOH，RbNO3，RbClO4，RbCl，RbI或RbF。
5.如权利要求4所述的一种有机半导体器件，其特征在于：器件的结构为ITO玻璃/NPB/Alq3/RbBr/Al，其中NPB作为空穴传输层材料，Alq3作为电子传输层和发光层材料，RbBr作为阴极缓冲层材料。
6.如权利要求5所述的一种有机半导体器件，其特征在于：NPB的厚度为60nm，Alq3和RbBr的厚度和为60nm，其中RbBr的厚度为2~8nm。
7.如权利要求4所述的一种有机半导体器件，其特征在于：器件的结构为ITO/MoO3/NPB/Alq3/RbBr：Alq3/Al，其中MoO3作为空穴注入层材料，NPB作为空穴传输层材料，Alq3作为电子传输层和发光层材料，Alq3：RbBr共掺杂作为电子注入层材料。
8.如权利要求7所述的一种有机半导体器件，其特征在于：MoO3的厚度为8nm，NPB的厚度为50nm，Alq3的厚度为50nm，RbBr：Alq3共掺杂的厚度为10nm，其中RbBr的掺杂体积浓度为2~8%。
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