CN219437503U - 一种基于稀土氧化物的光电子器件 - Google Patents

一种基于稀土氧化物的光电子器件 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种基于稀土氧化物的光电子器件，包括自下而上依次设置的自下而上依次设置的基板、阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极；所述阳极的侧面设置有第一连接端；所述阴极的顶面设置有第二连接端；所述第一连接端和所述第二连接端分别与电源的正极和负极连接。本实用新型将通过设置固定厚度的阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极，避免了现有技术中将稀土金属粉体与稀土氧化物掺杂作为电子注入层的材料时存在的掺杂比例难以确定的问题，提高了光电子器件的稳定性。

Description

一种基于稀土氧化物的光电子器件
技术领域
本实用新型涉及有机电致发光技术领域，特别是涉及一种基于稀土氧化物的光电子器件。
背景技术
有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode，OLED)自1987年问世以来，凭借其超薄、低能耗、自发光、颜色可调、色域广、可柔性等优点，在高性能显示和照明领域得到了广泛的应用。OLED器件是一种将电能转化为光能的薄膜装置，器件的结构包括阳极、阴极以及设置在两个注入电极之间的有机发光层和有机传输层。电子和空穴从两个电极注入，通过有机层传输，并最终在发光层内复合发光。在外加电压的驱动下，电子经过电子注入层、传输层到达有机发光层，与经过空穴注入层和传输层的空穴在有机发光层中形成激子，使有机发光分子处于激发态，处在高能量的激发态通过载流子复合，以发射光子的形式辐射能量，最终实现光电的转换过程(这个过程叫做辐射发光)。
常用作电子传输材料的最低轨道占据态分子轨道(LUMO)能级在-3.0eV附近，而与其接触的金属阴极的功函数一般大于-4.0eV，因此，当电子直接从金属阴极注入到电子传输层时，存在较大的能隙阻碍电子的注入，使得器件驱动电压较高，同时使得到达发光层中的电子空穴不平衡，从而降低器件效率，缩短器件寿命。采用n-型掺杂的方法可降低电子传输材料的LUMO能级，减小能隙，进而促进电子从金属阴极注入到电子传输层。n型掺杂的机理是掺杂剂将电子转移到电子传输材料的LUMO能级上，从而实现电荷转移，提高自由载流子浓度。这就要求掺杂剂功函数必须在-3.0eV以下，才能将电子高效地转移到电子传输材料的LUMO能级上。但是功函数小于-3.0eV的物质，如金属Li、Ca、Yb等，其化学特性非常活泼，易于其他物质发生反应，因此适用于OLED的n型掺杂剂种类较少。现有技术中最常用的碱金属，其在空气中很容易被氧化，钠、钾、铯等甚至会发生自燃，难以长时间存储，也不便于制备操作。在已有专利(CN103165825B)中，使用氧化铈或氧化镱作为有机电致发光器件的绝缘层，与稀土金属材料层接触。绝缘层的厚度限定在0.5-2nm范围内，但是，稀土金属材料层由稀土金属粉体与稀土氧化物掺杂而成，掺杂比例难以确定，导致无法得到最优的稀土金属材料层，从而降低光电子器件的稳定性。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于稀土氧化物的光电子器件，能够提高光电子器件的稳定性。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于稀土氧化物的光电子器件，包括：
自下而上依次设置的基板、阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极；
所述阳极的侧面设置有第一连接端；所述阴极的顶面设置有第二连接端；所述第一连接端和所述第二连接端分别与电源的正极和负极连接。
可选的，
所述空穴注入层的厚度为10nm；
可选的，所述空穴传输层为的厚度为45nm；
可选的，所述电致发光单元的厚度为15nm；
可选的，所述电子传输层的厚度为40nm或45nm；
可选的，所述电子注入层的厚度为0.1-8nm。
可选的，
所述电子注入层和所述阴极之间设置有阴极过渡层。
可选的，所述阴极过渡层的厚度为4nm。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型提供了一种基于稀土氧化物的光电子器件，包括自下而上依次设置的自下而上依次设置的基板、阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极；所述阳极的侧面设置有第一连接端；所述阴极的顶面设置有第二连接端；所述第一连接端和所述第二连接端分别与电源的正极和负极连接。本实用新型将通过设置固定厚度的阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极，避免了现有技术中将稀土金属粉体与稀土氧化物掺杂作为电子注入层的材料时存在的掺杂比例难以确定的问题，提高了光电子器件的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中基于稀土氧化物的光电子器件结构示意图；
图2为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件结构示意图；
图3为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的能级结构图；
图4为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的I-V-L测试结果图；图4(a)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的第一I-V-L测试结果图；图4(b)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的第二I-V-L测试结果图；
图5为本实用新型实施例中稀土金属Yb和对应氧化物Yb2O3的测量结果图；图5(a)为本实用新型实施例中稀土金属Yb和对应氧化物Yb2O3的XPS测量结果图；图5(b)为本实用新型实施例中稀土金属Yb和对应氧化物Yb2O3的UPS测量结果图；
图6为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的能级图；
图7为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件结构示意图；
图8为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的能级结构图；
图9为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的I-V-L测试结果图；图9(a)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的第一I-V-L测试结果图；图9(b)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的第二I-V-L测试结果图；
图10为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的能级图；
图11为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件结构示意图；
图12为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的I-V-L测试结果图；图12(a)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的第一I-V-L测试结果图；图12(b)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的第二I-V-L测试结果图；
图13为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件结构示意图；
图14为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件的能级结构图；
图15为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件的I-V-L测试结果图；图15(a)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件的第一I-V-L测试结果图；图15(b)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件的第二I-V-L测试结果图；
附图说明：100-基板；110-阳极；120-空穴注入层；130-空穴传输层；140-电致发光单元；150-电子传输层；160-电子注入层；170-阴极。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种基于稀土氧化物的光电子器件，能够提高光电子器件的稳定性。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
实施例一
图1为本实用新型实施例中基于稀土氧化物的光电子器件结构示意图，如图1所示，本实用新型提供了一种基于稀土氧化物的光电子器件，包括：
自下而上依次设置的基板100、阳极110、空穴注入层120、空穴传输层130、电致发光单元140、电子传输层450、电子注入层160和阴极170；
阳极的侧面设置有第一连接端；阴极的顶面设置有第二连接端；第一连接端和第二连接端分别与电源的正极和负极连接。
其中，
空穴注入层的厚度为10nm；
空穴传输层为的厚度为45nm；
电致发光单元的厚度为15nm；
电子传输层的厚度为45nm；
电子注入层的厚度为0.1-8nm；电子注入层的功函数小于3eV。
具体的，电子注入层的厚度为4nm；
具体的，
阳极为铟锡氧化物；阳极厚度为100nm；
阴极为铝；阴极厚度为80nm。
具体的，
基板为玻璃、石英或蓝宝石；
空穴注入层为三氧化钼；
空穴传输层为TAPC；
电致发光单元为Bepp2和Ir(ppy)2(acac)的混合材料；
电子传输层为Bepp2；
电子注入层为稀土金属氧化物；电子注入层的功函数小于3eV。具体的，电子注入层为稀土金属的氧化物，且为氧化镧、氧化铈、氧化钐、氧化钆、氧化铒、氧化钇和氧化钪中的一种
具体的，混合材料中Ir(ppy)2(acac)的占比为8％。
具体的，图2为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件结构示意图，图中，Light表示光，Glass Substrate表示玻璃衬底，如图2所示，本实用新型提供的以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件器件制备方法如下：
本实用新型涉及到的所有材料(包括有机材料、金属材料和氧化物材料)均使用热蒸发的工艺，基板先后经过去离子水、丙酮、酒精等溶液清洗，再经氮气吹洗干净后转移至真空腔室内基片架上，基片架可以实现基片的旋转与升降。有机小分子材料盛装在干净的坩埚里，通过束源炉进行蒸发，而金属电极材料通过加热源进行蒸发。材料的厚度通过连接在真空腔内部的膜厚检测仪来控制，所有材料的沉积在同一个真空蒸发腔室内部完成，真空腔的真空度优于5×10-5Pa。材料的蒸发将依照器件的结构与厚度依次沉积而成。
底发射第一OLED器件的结构见附图2，衬底为ITO玻璃，从下而上依次为空穴注入层MoO3(厚度为10nm)，空穴传输层TAPC(厚度为45nm)，发光层为磷光主体材料Bepp2和绿色掺杂材料Ir(ppy)2(acac)(客体掺杂比例为8％，厚度为15nm)，电子传输层为Bepp2(厚度45nm)，电子注入层为三氧化二镱，厚度为4nm，金属铝为阴极材料，厚度为80nm。为了防止金属铝被氧化，可以在最外层增加一层NPB覆盖层。得到以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件，以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的能级结构图如图3所示；其中，纵坐标为能量。
为了更简单地理解本实用新型的名词缩写，本实用新型中出现的专业名词的简写、全称及功能详细如表1所示：
表1专业名词的简写、全称及功能表
器件性能测试：通过测量底发射第一OLED器件的电流-电压-亮度(I-V-L)曲线和发光效率结果如图4，图4(a)中，横坐标为电压、纵(左)坐标为亮度、纵(右)坐标为电流密度；图4(b)中，横坐标为亮度、纵(左)坐标为电流效率，纵坐标(右)为功率效率；与常规使用Liq为电子注入层所制备的OLED器件相比，Yb2O3作为电子注入层所制备的OLED器件具有相同的开启电压(2.6eV)和相同的电流密度。
薄膜电子结构测试：为了进一步说明稀土金属氧化物Yb2O3在OLED器件中所具有的电子注入性能，本实施例通过X射线光电子能谱(XPS)对稀土金属Yb薄膜的组成成分、电子结构进行了测量。
稀土金属Yb在空气中容易失去两个6s电子和一个4f电子，以稳定的+3的价态存在。通常从市场所购的Yb颗粒表面覆盖一层氧化物，可以使用Ar离子对Yb颗粒进行刻蚀剥离，表面的氧化层被剥离，留下的便是稀土金属Yb的单质。XPS对薄膜的全谱测量如图5(a)，图5(a)中横坐标为结合能，纵坐标为强度，稀土金属Yb的4d轨道的峰值位于182.3eV，Yb2O3的4d轨道的峰值位于186.5eV，从而验证了稀土金属Yb薄膜的表面被一层氧化物(Yb2O3)所覆盖。
为了更近一步的分析稀土金属和稀土金属氧化物的价电子结构，实验中通过测量打磨抛光前后Yb金属块的UPS，放置于XPS/UPS测试系统中用单离子刻蚀的方法去掉表面的杂质并进行测试。图5(b)为本实用新型实施例中稀土金属Yb和对应氧化物Yb2O3的UPS测量结果图；其中，横坐标为动能，纵坐标为强度，从附图1-5中的UPS测量结果可得到二次电子截止边，进而计算出Yb和Yb2O3的功函数的准确数值。通过紫外光电子能谱的分析结果可得到能带金属Yb的功函数是2.64eV，而氧化镱的功函数低至2.42eV，由此可以得出器件的能级结构，以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的能级图如图6所示。Evac为真空能级，LUMO为最低占据态，HOMO为最高占据态，φ为功函数，Eg为能隙，Ef为费米能级，N(E)为态密度。
实施例二
图7为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件结构示意图，如图7所示，本实施例与实施例一的不同点在于，本实施例提供的以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件中：
阳极为铝；
阴极为银镁合金。
本实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第一OLED器件的能级结构如图8；其中，纵坐标为能量。
器件制备方法：在5×10-5Pa的真空条件下，衬底为玻璃或硅片，使用热蒸发设备，从下而上依次蒸镀金属阳极层Al(厚度为100nm)，空穴注入层MoO3(厚度为10nm)，空穴传输层TAPC(厚度为45nm)，发光层为磷光主体材料Bepp2和绿色掺杂材料Ir(ppy)2(acac)(客体掺杂比例为8％，厚度为15nm)，电子传输层为Bepp2(厚度45nm)，电子注入层为稀土镱的氧化物，厚度为4nm，金属铝为阴极材料，厚度为80nm。为了防止金属铝被氧化，可以在最外层增加一层NPB覆盖层。
器件性能测试：通过测量顶发射第一OLED器件的电流-电压-亮度(I-V-L)曲线和发光效率结果如图9所示，图9(a)中，横坐标为电压、纵(左)坐标为亮度、纵(右)坐标为电流密度；图9(b)中，横坐标为亮度、纵(左)坐标为电流效率，纵坐标(右)为功率效率，与常规使用Liq为电子注入层所制备的OLED器件相比，Yb2O3作为电子注入层所制备的OLED器件具有相同的开启电压和相同的电流密度。以Yb2O3为电子注入层的底发射第一OLED器件的能级图如图10所示，
实施例三
图11为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件结构示意图；如图11所示，本实施例与实施例二的不同点在于，本实施例提供的以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件中：
阳极为铝；
阴极为银。阴极厚度为15nm；
电子传输层的厚度为40nm；
电子注入层的厚度为8nm；
器件制备方法：在玻璃衬底上沉积一层厚度为100nm的金属铝(Al)作为阳极，为了提高空穴的传输效率，蒸镀了一层10nm的三氧化钼(MoO3)薄膜作为空穴注入层，与MoO3薄膜相接触的是空穴传输层TAPC，厚度为45nm，以Bepp2为主体、以Ir(ppy)2(acac)为磷光客体(客体的掺杂比例为8wt％，厚度为15nm)作为发光层，以Bepp2为电子传输层，厚度为40nm，Yb2O3使用作为电子注入层，厚度从4nm变化到8nm，阴极为金属Ag(15nm)组成的叠层电极。
图12为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的I-V-L测试结果图；图12(a)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的第一I-V-L测试结果图；图12(b)为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的顶发射第二OLED器件的第二I-V-L测试结果图；
器件性能测试：在不同厚度电子注入层的OLED器件的光电性能如图12所示，图12(a)中，横坐标为电压、纵(左)坐标为亮度、纵(右)坐标为电流密度；图12(b)中，横坐标为亮度、纵(左)坐标为电流效率，纵坐标(右)为功率效率。可以看出，二者具有相接近的开启电压(2.8V)，说明Yb(4nm)/Ag(15nm)和Yb(nm)/Ag(15nm)作为电子注入层具有相同的注入势垒。从两种器件的电流效率和功率效率随发光亮度变化的特性曲线可以看出，当电子注入层的厚度达到8nm时，器件的效率较差，在误差范围内，故本实用新型专利将电子注入层的范围扩展到8nm。
实施例四
图13为本实用新型实施例中以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件结构示意图；如图13所示，本实施例与实施例一的不同点在于，本实施例提供的底发射第二OLED器件中：
电子注入层和阴极之间设置有阴极过渡层。
阴极过渡层为稀土金属。阴极过渡层还可以为过渡金属氧化物；
阴极过渡层的厚度为4nm。
电子传输层的厚度为40nm；
本实施例制备的底发射OLED器件，以ITO玻璃作为阳极，为了提高空穴的传输效率，蒸镀了一层10nm的三氧化钼(MoO3)薄膜作为空穴注入层，与MoO3薄膜相接触的是空穴传输层TAPC，厚度为45nm，以Bepp2为主体、以Ir(ppy)2(acac)为磷光客体(客体的掺杂比例为8wt％，厚度为15nm)作为发光层，以Bepp2为电子传输层，厚度为40nm，Yb2O3使用作为电子注入层，厚度为4nm，阴极为稀土镱Yb(4nm)和金属Al(100nm)组成的叠层电极。
以Yb2O3为电子注入层的底发射第二OLED器件的能级结构图如图14，其中，纵坐标为能量。
器件性能测试：图15(a)中，横坐标为电压、纵(左)坐标为亮度、纵(右)坐标为电流密度；图15(b)中，横坐标为亮度、纵(左)坐标为电流效率，纵坐标(右)为功率效率，从图15所示L-I-V特性曲线可以看出，Yb2O3作为电子注入层和Liq作为电子注入层的底发射OLED器件具有相同的开启电压(2.6V)和相同的电流密度，而且二者也具有相同的EL光谱。由此可见Yb2O3作为电子注入层可以搭配Yb和Al组成的叠层电极，并且与传统的单层电极一样具有相同的器件性能，也具有非常良好的电子注入性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述光电子器件，包括：
自下而上依次设置的基板、阳极、空穴注入层、空穴传输层、电致发光单元、电子传输层、电子注入层和阴极；
所述阳极的侧面设置有第一连接端；所述阴极的顶面设置有第二连接端；所述第一连接端和所述第二连接端分别与电源的正极和负极连接。
2.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，
所述空穴注入层的厚度为10nm。
3.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为45nm。
4.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述电致发光单元的厚度为15nm。
5.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述电子传输层的厚度为40nm或45nm。
6.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述电子注入层的厚度为0.1-8nm。
7.根据权利要求1所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，
所述电子注入层和所述阴极之间设置有阴极过渡层。
8.根据权利要求7所述的基于稀土氧化物的光电子器件，其特征在于，所述阴极过渡层的厚度为4nm。
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