CN116685160A - 一种高效电流注入的器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效电流注入的器件，所述器件包括阳极、界面层、空穴传输层和/或有机功能层；所述阳极、空穴传输层和/或有机功能层分别位于界面层两侧；所述界面层的HOMO能级深于空穴传输层和/或有机功能层；所述阳极为高功函数的金属或金属氧化物。本发明所述高效电流注入的器件结构的一个典型特征为通过在阳极后、空穴传输层和/或有机功能层前加入HOMO能级更深的界面层来实现高效空穴注入，可根据有机半导体HOMO能级灵活选取界面层。
Description
技术领域
本发明涉及有机光电技术领域，特别是一种高效电流注入的器件。
背景技术
在有机光电器件中，由于电极和有机材料能级不匹配，会存在比较大的电荷注入势垒。例如应用广泛的氧化铟锡(ITO)透明电极功函数约为5.0eV，而一般有机材料最高占据分子轨道(HOMO)能级通常在5.0eV以上，想实现高效的直接注入是很困难的。对此采用HOMO能级相对较浅的空穴传输材料形成阶梯式注入是一种常见的解决方法，但常用空穴传输材料的HOMO能级通常为5.5eV或更高，注入势垒仍不可避免。注入势垒的存在，对注入电流会产生成倍的影响，因此提高载流子注入对于优化器件性能是至关重要的(PhysicalReview Letters,1965,15(25):967-8.)。
已有一些研究通过一些手段去获得载流子的有效注入，例如引入传输层，修饰电极，掺杂传输层，在注入接触处引入缓冲层等等(Helander,et al.2011；Huang,etal.2022；Pfeiffer,et al.1998；Zhou,et al.2001)(HELANDER M G,WANG Z B,QIU J,etal.Chlorinated Indium Tin Oxide Electrodes with High Work Function forOrganic Device Compatibility[J].Science,2011,332(6032):944-7.HUANG F,LIU H,LIX,et al.Enhancing hole injection by processing ITO through MoO3 and self-assembled monolayer hybrid modification for solution-processed hole transportlayer-free OLEDs[J].Chem Eng J,2022,427:131356.PFEIFFER M,BEYER A,FRITZ T,etal.Controlled doping of phthalocyanine layers by cosublimation with acceptormolecules:A systematic Seebeck and conductivity study[J].Applied PhysicsLetters,1998,73(22):3202-4.ZHOU X,BLOCHWITZ J,PFEIFFER M,et al.Enhanced HoleInjection into Amorphous Hole-Transport Layers of Organic Light-EmittingDiodes Using Controlled p-Type Doping[J].Advanced Functional Materials,2001,11(4):310-4.)。这些方法很好的提高了器件性能，但仍存在以下不足之处：(1)掺杂制备复杂，掺杂的量和掺杂的均匀性难以精确控制，不易重现高效率结果；(2)在选用材料时，经验性因素影响较大。
基于以上考虑，本发明提供一种简单易制备的高效空穴注入结构，高效注入通过添加了一层“反阶梯型”界面层实现。可以根据有机半导体HOMO能级灵活选取界面层，提高空穴注入，从而提高器件性能。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高效电流注入的器件。本发明所述高效电流注入的器件结构的一个典型特征为通过在阳极后、空穴传输层和/或有机功能层前加入HOMO能级更深的界面层来实现高效空穴注入，可根据有机半导体HOMO能级灵活选取界面层。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效电流注入的器件，包括阳极2、界面层3、空穴传输层4和/或有机功能层5；所述阳极2、空穴传输层4和/或有机功能层5分别位于界面层3两侧；所述界面层3的HOMO能级深于空穴传输层4和/或有机功能层5；所述阳极2为高功函数的金属或金属氧化物。
所述阳极2和界面层3直接层叠。
所述空穴传输层4和/或有机功能层5与界面层3直接层叠或其之间还具有其他薄膜层，如电子阻挡层等。
优选的，所述器件包括依次层叠的衬底1、阳极2、界面层3、空穴传输层4、有机功能层5、电子传输层6、阴极7。
优选的，所述界面层3和空穴传输层4的材料包括以下材料：
优选的，所述有机功能层5为发光层、活性层等。
优选的，所述有机功能层5的材料包括以下材料：
进一步优选的，所述衬底1为硬性衬底或柔性衬底。
更优选的，所述硬性衬底包括玻璃、石英、蓝宝石；所述柔性衬底包括聚酯类材料、金属、合金或不锈钢薄膜；
再优选的，所述聚酯类材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂、聚萘二甲酸乙二醇酯。
优选的，所述金属氧化物包括氧化铟锡导电膜ITO、掺氟二氧化锡FTO、氧化锌ZnO、铟镓锌氧化物IGZO中一种或多种组合。
优选的，所述金属为金Au、铂Pt、银Ag中一种或多种组合。
优选的，所述金属或金属氧化物经过等离子体处理。进一步优选的，所述等离子体处理的时间为1-10分钟。
进一步优选的，所述阴极7为低功函数金属、金属氧化物或金属化合物，包括Al、Ba、Ca、Cs、CsF、ZnO或Cs2CO3。
优选的，各层采用热蒸镀或溶液加工方式制备而成。
进一步优选的，所述溶液加工方式包括旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所涉及器件结构简单，制备流程少、工艺简单。
(2)本发明所涉及的器件通过高功函数的阳极、界面层和有机材料的HOMO能级匹配，就可以实现高效空穴注入。
(3)本发明所涉及的器件界面层选用具有多样性，可以满足多种器件需求。
(4)本发明所涉及的器件界面层材料可以选用常规材料，成本低。
附图说明
图1是本发明所涉及的器件结构图；其中，衬底1、阳极2、界面层3、空穴传输层4、有机功能层5、电子传输层6、阴极7。
图2是实施例2的基于TCTA(CBP,NPB,Spiro-TAD,5nm)/TAPC(180nm)单空穴器件的J-V曲线。
图3是所用有机材料TCTA、CBP、NPB、Spiro-TAD、TAPC的光电子能谱。
图4是实施例3的单空穴器件的J-V曲线。
图5是实施例4的单空穴器件的J-V曲线。
图6是实施例5的基于TCTA(0nm,5nm)/NPB(180nm)单空穴器件的J-V曲线。
具体实施方式
以下实施例将对本发明所提出的具体工艺过程进行说明，但本发明不限于所列之例。本领域技术人员应当理解，只要是符合本发明描述的高效电流注入的器件结构特征的皆属于本发明的范围。
需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。
一种高效电流注入的器件结构，包括依次层叠的衬底1、阳极2、界面层3、空穴传输层4、有机功能层5、电子传输层6、阴极7。
所述界面层和空穴传输层材料包括但不仅限于以下材料：
所述高效电流注入的器件是通过HOMO能级更深界面层来降低注入势垒，从而提高空穴注入。
所述界面层、空穴传输层、有机功能层材料、电子传输层、阴极采用热蒸镀或者旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印等溶液加工方式制备而成。
所述高效电流注入的器件结构的衬底材料为硬性衬底如玻璃、石英、蓝宝石等以及柔性衬底如聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂、聚萘二甲酸乙二醇酯或其它聚酯类材料以及金属、合金或不锈钢薄膜等。
所述阳极为高功函数的金属或者金属氧化物(例如氧化铟锡导电膜(ITO)、掺氟二氧化锡(FTO)、氧化锌(ZnO)、铟镓锌氧化物(IGZO))其中一种或其组合。
所述阴极为低功函数金属、金属氧化物或金属化合物，例如Al、Ba、Ca、Cs、CsF、ZnO或Cs2CO3等。
本发明利用界面层与有机层HOMO能级、阳极的巧妙匹配，可以有效提高空穴(电流)注入。
实施例1
制备器件
同批号ITO导电玻璃衬底若干，规格为32毫米*32毫米，ITO厚度约为90纳米，其方块电阻约为15～20欧姆/方块。依次用丙酮、清洗剂、去离子水、异丙醇超声清理10分钟，以除去衬底表面的污垢。随后放入恒温箱中75摄氏度烘干待用。烘干后的ITO衬底用等离子体设备处理2分钟，进一步除去表面附着的有机污染物。随后把ITO衬底转移到无水无氧、充满高纯氮气的手套箱。在此手套箱中，把器件装入真空镀腔中。开启机械泵和分子泵，当镀腔内达到3*10-4Pa的高真空后开始热蒸镀薄膜。利用特定的掩膜版，依次蒸镀各层薄膜。蒸镀层的厚度由石英晶振膜厚检测仪实时监控。
上述热蒸镀层，亦可以通过旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印等溶液加工方式制备而成。
本发明通过单空穴器件验证所述器件空穴注入情况。器件制备完成后，把器件从蒸镀腔体中取出来，测试J-V特性曲线。
实施例2
分别选用有机TCTA、CBP、NPB、Spiro-TAD作为界面材料，有机TAPC作为需要提高注入的材料，根据实施例1描述的过程制备、测试器件。
器件结构：ITO/TCTA(5nm)(或0nm，CBP(5nm),NPB(5nm),Spiro-TAD(5nm))/TAPC(180nm)/TCTA(5nm)/MoO3(2.7nm)/Al(100nm)。
单空穴器件的J-V特性曲线如图2所示，TCTA、CBP、NPB、Spiro-TAD、TAPC材料使用AC-3测试的光电子能谱如图3所示。
图2中负偏压对应于来自ITO电极的空穴注入，正偏压对应于来自Al电极的空穴注入。发现在TAPC前使用HOMO能级更深的界面层TCTA和CBP，电流密度显著增大。而使用HOMO能级更浅的界面层，电流却显著降低。
实施例3
分别选用有机TCTA作为界面材料，有机TAPC作为需要提高注入的材料，根据实施例1描述的过程制备、测试器件，其中不对ITO进行等离子体处理。
器件结构：ITO/TCTA(0nm，5nm)/TAPC(180nm)/TCTA(5nm)/MoO3(2.7nm)/Al(100nm)。
单空穴器件的J-V特性曲线如图4所示。对ITO进行等离子体处理可以提高功函数，而在ITO没有进行等离子体处理的情况下，TCTA没有显示界面层的作用特性，说明界面层作用需要电极达到一定功函数。
实施例4
选用Au作为阳极，有机TCTA作为界面材料，有机TAPC作为需要提高注入的材料，根据实施例1描述的过程制备、测试器件。
器件结构：Au(40nm)/TCTA(0nm，5nm)/TAPC(180nm)/TCTA(5nm)/MoO3(10nm)/Al(100nm)。
单空穴器件的J-V特性曲线如图5所示。发现更换成Au电极以后，没有显现界面层的作用特性，这是因为它要求电极是高功函数的金属或氧化物。
实施例5
选用有机TCTA作为界面层材料，有机NPB作为需要提高注入的材料，根据实施例1描述的过程制备、测试器件。
器件结构：ITO/TCTA(0nm,或5nm)/NPB(180nm)/TCTA(5nm)/MoO3(2.7nm)/Al(100nm)。
单空穴器件的J-V特性曲线如图6所示，发现在NPB前引入HOMO更深的TCTA层，电流密度也显著增大。
实施例6
一种高效电流注入的器件结构，如图1所示，包括衬底1、阳极2、界面层3、空穴传输层4、有机功能层5、电子传输层6、阴极7。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，上述的实施例并未限制本发明的范围。相反地，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效电流注入的器件，其特征在于，包括阳极(2)、界面层(3)、空穴传输层(4)和/或有机功能层(5)；所述阳极(2)、空穴传输层(4)和/或有机功能层(5)分别位于界面层(3)两侧；所述界面层(3)的HOMO能级深于空穴传输层(4)和/或有机功能层(5)；所述阳极(2)为高功函数的金属或金属氧化物。
2.根据权利要求1所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述器件包括依次层叠的衬底(1)、阳极(2)、界面层(3)、空穴传输层(4)、有机功能层(5)、电子传输层(6)、阴极(7)。
3.根据权利要求1或2所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述界面层(3)和空穴传输层(4)的材料包括以下材料：
4.根据权利要求1或2所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述有机功能层(5)的材料包括以下材料：
5.根据权利要求2所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述衬底(1)为硬性衬底或柔性衬底。
6.根据权利要求5所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述硬性衬底包括玻璃、石英、蓝宝石；所述柔性衬底包括聚酯类材料、金属、合金或不锈钢薄膜；
所述聚酯类材料包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂、聚萘二甲酸乙二醇酯。
7.根据权利要求1所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述金属氧化物包括氧化铟锡导电膜ITO、掺氟二氧化锡FTO、氧化锌ZnO、铟镓锌氧化物IGZO中一种或多种组合；
所述金属为金Au、铂Pt、银Ag中一种或多种组合。
8.根据权利要求2所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述阴极(7)为低功函数金属、金属氧化物或金属化合物，包括Al、Ba、Ca、Cs、CsF、ZnO或Cs2CO3。
9.根据权利要求1或2所述的高效电流注入的器件，其特征在于，各层采用热蒸镀或溶液加工方式制备而成。
10.根据权利要求9所述的高效电流注入的器件，其特征在于，所述溶液加工方式包括旋涂、刷涂、喷涂、浸涂、辊涂、丝网印刷、印刷或喷墨打印。
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| CN202310512809.1A CN116685160A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 一种高效电流注入的器件 |
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