CN104659242A - 荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法 - Google Patents

荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法，该荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，由下至上以此包括顺次连接的：衬底、阳极、空穴界面层、空穴传输层、电子/激子阻挡层、黄光发光层、蓝光发光层、电子传输/空穴阻挡层、电子界面层和阴极；所述黄光发光层由黄光磷光染料掺杂空穴传输材料形成；黄光磷光染料的三线态能级为2.2±0.1eV，空穴传输材料的三线态能级为2.2-2.5eV。本发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管器件中，通过利用单线态和三线态激子的扩散长度差异，实现两种激子在空间上的有效分离和充分利用。该器件结构简单，显示出与荧光灯水平相当的功率效率。

Description

荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种有机发光二极管，特别涉及一种荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法。
背景技术
从材料角度来说，白光有机发光二极管通常分全荧光型、全磷光型和荧光/磷光混合型三类。由于荧光材料寿命较长，全荧光型白光有机发光二极管具有高稳定性的优点，但受量子统计理论的限制，该类器件中的三线态激子无法受激发光，所以往往表现了效率低的缺点，无法满足照明应用的要求；全磷光白光有机发光二极管具有高效率的优点，但由于目前蓝光磷光发光材料的寿命普遍较短，所以此类白光器件的寿命和光谱稳定性都不理想；相比之下，荧光/磷光混合型白光有机发光二极管兼备了全荧光型器件的长寿命和全磷光型器件的高效率的优点，至少在高稳定性蓝光磷光发光材料没有开发成功之前，被认为是最好的白光器件结构。
荧光/磷光混合型白光有机发光二极管通常采用红(磷光)、绿(磷光)和蓝(荧光)三发光层结构或红绿(磷光)和蓝(荧光)两发光层结构来实现白光发射，为了避免磷光层和荧光层之间由于Dexter能量传递造成的激子淬灭问题，往往在磷光发光层和荧光发光层之间引入另一个具有高三线态能级的有机层来分离它们，这种设计本身对材料的选择就有非常高的要求，并且多发光层或多源掺杂也带来了器件制备的复杂性。另外，虽然具备照明应用的潜力，但目前荧光/磷光混合型白光器件的效率还远没有达到实际应用水平，国际文献报道的最高效率也只有38lm/W，尚不能满足照明应用的要求。目前的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管除了结构相对复杂和材料选择性要求高外，仍普遍存在效率较低的问题，这是制约此类技术满足应用条件的主要因素。
因此，如何设计构筑出结构简单而高效的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，使其具有真正的产业化应用价值，是荧光/磷光混合型白光有机发光二极管研究的重要课题。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种高效率且结构简单的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管及其制备方法，以达到照明应用的要求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，由下至上以此包括顺次连接的：
衬底、阳极、空穴界面层、空穴传输层、电子/激子阻挡层、黄光发光层、蓝光发光层、电子传输/空穴阻挡层、电子界面层和阴极；
所述黄光发光层由黄光磷光染料掺杂空穴传输材料形成；黄光磷光染料的三线态能级为2.2±0.1eV，空穴传输材料的三线态能级为2.2-2.5eV。
在上述技术方案中，所述黄光磷光染料为Ir(bt)2(acac)或者PO-01，空穴传输材料为NPB或者4P-NPB。
在上述技术方案中，所述蓝光发光层的材料与所述黄光发光层的空穴传输材料相同。
在上述技术方案中，所述蓝光发光层的材料为NPB或4P-NPB。
在上述技术方案中，所述黄光磷光染料在空穴传输材料中的浓度在5-8％之间。
在上述技术方案中，所述黄光发光层的厚度为5-10纳米。
在上述技术方案中，所述蓝光发光层的厚度为10-20纳米。
在上述技术方案中，所述空穴传输层的材料：带隙大于3.1eV，空穴迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
在上述技术方案中，所述电子/激子阻挡层的材料：带隙大于3.1eV，三线态能级大于2.6eV，空穴迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
在上述技术方案中，所述电子传输/空穴阻挡层的材料：带隙大于3.1eV，三线态能级在2.5-2.7eV之间，电子迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
上述技术方案中所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的制备方法，包括以下步骤：
先将ITO玻璃上的ITO层光刻成细条状的电极，然后清洗，氮气吹干，用氧等离子体处理1至5分钟，并在真空烘箱内在120摄氏度烘烤30分钟至一个小时；
然后把它转移到真空镀膜系统中，待真空度达到1至5×10-4帕时，依次在ITO层上蒸镀空穴界面层，空穴传输层，电子/激子阻挡层，黄光发光层，蓝光发光层，电子传输/空穴阻挡层，电子界面层和阴极；
空穴界面层和电子界面层的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.3纳米每秒；空穴传输层、电子/激子阻挡层、黄光发光层、蓝光发光层、电子传输/空穴阻挡层中的有机材料的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.2纳米每秒；掺杂的磷光染料的蒸发速率控制在0.01纳米每秒到0.001纳米每秒，Al的蒸发速率控制在1纳米每秒。
本发明具有以下的有益效果：
本发明的白光有机发光二极管为荧光/磷光混合型，采用了简单的双发光层结构，黄光磷光层与蓝光荧光层直接接触，且黄光磷光层主体材料与蓝光荧光材料为同一种材料；
本发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管器件中，使用的黄光磷光层主体材料、蓝光荧光材料三线态能级与黄光客体染料的三线态能级比较接近(之间的能级差<0.3eV)，实现了激子在发光层中的高效传递，降低了传递过程中的能量损耗；
本发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管器件中，通过利用单线态和三线态激子的扩散长度差异，实现两种激子在空间上的有效分离和充分利用。该器件结构简单，显示出与荧光灯水平相当的功率效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为所发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的能级图。
图2为图1所示的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的结构示意图。
图3为本发明实施例1的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线示意图。
图4为本发明实施例1的器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线示意图。
图5为本发明实施例1的器件在亮度为1000cd/m2的电致发光光谱示意图。
图6为本发明实施例2的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线示意图。
图7为本发明实施例2的器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线示意图。
图8为本发明实施例2的器件在亮度为1000cd/m2的电致发光光谱示意图。
图9为本发明实施例3的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线示意图。
图10为本发明实施例3的器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线示意图。
图11为本发明实施例3的器件在亮度为1000cd/m2下的电致发光光谱示意图。
具体实施方式
本发明的发明思想为：本发明就是针对现有技术中存在的问题，设计了一种磷光发光层(黄光)/荧光发光层(蓝光)式双发光层器件结构，两个发光层之间不使用间隔层同样避免了磷光发光层中的三线态激子能量回传给荧光层造成的能量损耗，利用主客体三线态能级差小的特点实现三线态激子的无陷阱式传递，通过控制蓝光荧光层的厚度，实现了单线态激子和三线态激子在空间上有效分离，实现荧光和磷光的有效发射。这种结构简单的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管显示出极其高效的特点。设计的器件在100cd/m2亮度下功率效率超过了120lm/W，在1000cd/m2亮度下功率效率超过了70lm/W，达到了荧光灯的效率水平，非常具有应用价值。
本发明的最大特点是通过黄光磷光层的主客体材料、蓝光荧光材料的能级研究和器件结构设计，制备出不仅结构简单，发光效率也非常高的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，最大功率效率达到了122lm/W，在1000cd/m2亮度下仍能维持74lm/W的功率效率，此时的色度坐标为(0.42，0.44)，表现出了优异的综合性能。
下面结合附图对本发明做以详细说明。
附图1是所发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的能级图，附图2为图1的结构示意图。它是由：衬底1、阳极2、空穴界面层3、空穴传输层4、电子/激子阻挡层5、黄光发光层6、蓝光发光层7、电子传输/空穴阻挡层8、电子界面层9和阴极10组成。其中：
衬底1可以是玻璃或者柔性聚合物衬底；
阳极2可以是氧化铟锡(ITO)或导电聚合物或其他透明电极，功函数在4.7eV到5.2eV；
空穴界面层3可采用五氧化二钒(V2O5)、三氧化钼(MoO3)、三氧化钨(WO3)中的任何一种，但不仅限于此；
空穴传输层4是N，N’-双(1-萘基)-N，N’-二苯基-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(简称NPB)、4，4'-环己基二(N，N-二(4-甲基苯基)苯胺)(简称TAPC)中的任何一种，但不仅限于此；
电子/激子阻挡层5是4，4'-环己基二(N，N-二(4-甲基苯基)苯胺)(简称TAPC)、或4，4'，4″-三(N-咔唑)三苯胺(TCTA)中的任何一种，但不仅限于此；
黄光发光层6是主体材料掺杂黄光磷光染料组成，其中主体材料可以是空穴传输层4是N，N’-双(1-萘基)-N，N’-二苯基-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(简称NPB)和N，N'-双(1-萘)-N，N'-二苯基-[1，1'：4'，1″：4″，1″'-四联苯]-4，4″'-二胺(简称4P-NPB)中的任何一种；黄光磷光染料是三线态能级为2.2±0.1eV的磷光发光材料，可以是乙酰丙酮酸二(2-苯基苯并噻唑-C2，N)合铱(III)(简称Ir(bt)2(acac))、双(4-苯并噻吩[3，2-C])吡啶-N，C2′)乙酰丙酮合铱(简称PO-01)中的任何一，但不仅限于此种；
蓝光发光层7是N，N’-双(1-萘基)-N，N’-二苯基-1，1’-二苯基-4，4’-二胺(简称NPB)和N，N'-双(1-萘)-N，N'-二苯基-[1，1'：4'，1″：4″，1″'-四联苯]-4，4″'-二胺(简称4P-NPB)中的任何一种，但不仅限于此；
电子传输/空穴阻挡层8是一种宽带隙高迁移率电子传输材料，其带隙3.1eV，三线态能级在2.5-2.7eV之间，电子迁移率大于10-4平方厘米每伏秒，其厚度在30-50纳米之间，可以是二(2-羟基苯基吡啶)合铍(简称Be(PP)2)，4，7-二苯基-1，10-菲罗啉(简称Bphen)中的任何一种，但不仅限于此；
电子界面层9是氟化锂、碳酸锂、碳酸铯、氟化铯、8-羟基喹啉锂(简称LiQ)中的任意一种；
阴极10是金属铝。
本发明的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的制备方法如下：
先将ITO玻璃上的ITO层2光刻成细条状的电极，然后清洗，氮气吹干，用氧等离子体处理1至5分钟，并在真空烘箱内在120摄氏度烘烤30分钟至一个小时，然后把它转移到真空镀膜系统中，待真空度达到1至5×10-4帕时，依次在ITO层2上蒸镀空穴界面层3，空穴传输层4，电子/激子阻挡层5，黄光发光层6，蓝光发光层7，电子传输/空穴阻挡层8，电子界面层9和阴极10，其中两个电极相互交叉部分形成器件的发光区，发光区面积为16平方毫米，空穴界面层3的厚度为2纳米到20纳米，空穴传输层4厚度在50纳米到70纳米、电子/激子阻挡层5厚度为5纳米，黄光发光层6厚度在5纳米到10纳米，蓝光发光层7的厚度在10纳米到20纳米，电子传输/空穴阻挡层8的厚度为30纳米到50纳米，电子界面层9的厚度为0.5纳米到1.5纳米，阴极10的厚度为100-300纳米。黄光发光层6中的磷光染料掺杂浓度按重量比控制在5％到8％。
空穴界面层和电子界面层的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.3纳米每秒，空穴传输层4、电子/激子阻挡层5、黄光发光层6、蓝光发光层7、电子传输/空穴阻挡层8中的有机材料的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.2纳米每秒，掺杂的磷光染料的蒸发速率控制在0.01纳米每秒到0.001纳米每秒，Al的蒸发速率控制在1纳米每秒。
实施例1：
先将玻璃衬底1上的ITO阳极2光刻成4毫米宽、30毫米长的电极，然后清洗，氮气吹干，把该玻璃放置到真空烘箱内在120摄氏度烘烤30分钟，之后，用氧等离子体处理2分钟，之后，把该玻璃放到真空镀膜系统中。当真空镀膜系统真空度达到1至5×10-4帕的时候，依次在ITO阳极2上蒸镀MOO3的空穴界面层3、NPB的空穴传输层4、TAPC的电子/激子阻挡层5、黄光磷光染料PO-01掺杂空穴传输材料NPB的发光层6、荧光材料NPB的蓝光发光层7、Be(PP)2的电子传输/空穴阻挡层8、LiF的电子界面层9和金属Al的阴极10，其中两个电极相互交叉部分形成器件的发光区，发光区面积为16平方毫米，空穴界面层3、空穴传输层4、电子/激子阻挡层5、黄光发光层6，蓝光发光层7、电子传输/空穴阻挡层9、电子界面层10和阴极11的厚度分别为8、60、5、5、15、30、1和200纳米，MOO3、NPB、TAPC、Be(pp)2LiF的蒸发速率控制在0.1纳米每秒，PO-01掺杂NPB发光层中PO-01的掺杂浓度控制在0.01纳米每秒，Al的蒸发速率控制在1纳米每秒。对于黄光磷光发光层中的掺杂，两种有机材料在不同的蒸发源中同时蒸镀，PO-01的浓度控制在5％。最终制备成结构为ITO/MOO3/NPB/TAPC/PO-01：
NPB/NPB/Be(PP)2/LiF/Al的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管。
附图3给出了此荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线，器件的起亮电压为2.5伏，器件的最大亮度超过了40000cd/m2，在3.2伏电压下的亮度为1000cd/m2。附图4给出了器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线，器件的最大电流效率为97cd/A，最大的功率效率为122lm/W，最大的外量子效率为29.9％，在1000cd/m2亮度下电流效率、功率效率和外量子效率分别达到了73cd/A、74lm/W和22.7％。附图5给出器件在亮度为1000cd/m2的电致发光光谱，其色度坐标为(0.42，0.44)，是标准的暖白光。
实施例2：
制备方法和实施例1的相同，这里的差别是蓝光发光层7的厚度为20nm。
附图6给出了此荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线，器件的起亮电压为2.5伏，器件的最大亮度超过了40000cd/m2，在3.3伏电压下的亮度为1000cd/m2。附图7出了器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线，器件的最大电流效率为77cd/A，最大的功率效率为97lm/W，最大的外量子效率为25％，在1000cd/m2亮度下电流效率、功率效率和外量子效率分别达到了48cd/A、46lm/W和16％。附图8给出器件在亮度为1000cd/m2的电致发光光谱，其色度坐标为(0.38，0.37)。
实施例3：
制备方法和实施例1的相同，这里的差别是用0.15nm的超薄层PO-01代替黄光发光层6。
附图9给出了此荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的电流密度－亮度－电压特性曲线，器件的起亮电压为2.9伏，器件的最大亮度超过了35000cd/m2，在3.6伏电压下的亮度为1000cd/m2。附图10出了器件的电流密度－功率效率－电流效率-量子效率特性曲线，器件的最大电流效率为86cd/A，最大的功率效率为67lm/W，最大的外量子效率为26％，在1000cd/m2亮度下电流效率、功率效率和外量子效率分别达到了67cd/A、60lm/W和21％。附图11出器件在亮度为1000cd/m2下的电致发光光谱，色度坐标CIE为(0.42，0.46)。
实施例4：
制备方法和实施例1的相同，这里的差别是蓝光发光层7的厚度为10nm。
本发明中所使用的黄光磷光染料可以是Ir(bt)2(acac)或者PO-01，也可以是其它的发黄光的金属铱配合物，而这种材料需满足下列条件：它的三线态能级为2.2±0.1eV，电致发光光谱的峰值在550-570纳米。
本发明中蓝光荧光发光层所用材料可以是NPB，4P-NPB，也可以是其他发蓝光的荧光材料，这种材料需满足条件：三线态能级大于2.2eV，且三线态能级位于2.2-2.5eV之间。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，由下至上以此包括顺次连接的：
衬底、阳极、空穴界面层、空穴传输层、电子/激子阻挡层、黄光发光层、蓝光发光层、电子传输/空穴阻挡层、电子界面层和阴极；
所述黄光发光层由黄光磷光染料掺杂空穴传输材料形成；黄光磷光染料的三线态能级为2.2±0.1eV，空穴传输材料的三线态能级为2.2-2.5eV。
2.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述黄光磷光染料为Ir(bt)2(acac)或者PO-01，空穴传输材料为NPB或者4P-NPB。
3.根据权利要求2所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述蓝光发光层的材料与所述黄光发光层的空穴传输材料相同。
4.根据权利要求3所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述蓝光发光层的材料为NPB或4P-NPB。
5.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述黄光磷光染料在空穴传输材料中的浓度在5-8％之间。
6.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述黄光发光层的厚度为5-10纳米。
7.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述蓝光发光层的厚度为10-20纳米。
8.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述空穴传输层的材料：带隙大于3.1eV，空穴迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
9.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述电子/激子阻挡层的材料：带隙大于3.1eV，三线态能级大于2.6eV，空穴迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
10.根据权利要求1所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管，其特征在于，所述电子传输/空穴阻挡层的材料：带隙大于3.1eV，三线态能级在2.5-2.7eV之间，电子迁移率大于10-4平方厘米每伏秒。
11.权利要求1-10中的任意一项所述的荧光/磷光混合型白光有机发光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
先将ITO玻璃上的ITO层光刻成细条状的电极，然后清洗，氮气吹干，用氧等离子体处理1至5分钟，并在真空烘箱内在120摄氏度烘烤30分钟至一个小时；
然后把它转移到真空镀膜系统中，待真空度达到1至5×10-4帕时，依次在ITO层上蒸镀空穴界面层，空穴传输层，电子/激子阻挡层，黄光发光层，蓝光发光层，电子传输/空穴阻挡层，电子界面层和阴极；
空穴界面层和电子界面层的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.3纳米每秒；空穴传输层、电子/激子阻挡层、黄光发光层、蓝光发光层、电子传输/空穴阻挡层中的有机材料的蒸发速率控制在0.1纳米每秒到0.2纳米每秒；掺杂的磷光染料的蒸发速率控制在0.01纳米每秒到0.001纳米每秒，Al的蒸发速率控制在1纳米每秒。
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