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ITO表面改性对有机电致发光器件性能的影响

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第36卷第5期 电子科技大学学报 、,b1.36 No.5 2007年l0月 Journal ofUniversity ofElectronic Science and Technology ofChina 0ct.2007 ・光电学工程与应用・ ITO表面改性对有机电致发光器件性能的影响 黎威志,季兴桥,阳 秀,钟志有,蒋亚东 (电子科技大学光电信息学院成都6100.54) 【摘要】采用乙醇、氧等离子、NaOH、浓硫酸分别时氧化铟锡薄膜进行了处理;利用原子力显微镜、x谢线光电子能 谱、接触角测试仪对处理后薄膜的表面形貌、化学组分及表面能进行了研究.实验结果表明经浓硫酸和NaOH处理后的氧化铟 锡薄膜表面具有较低的粗糙度、较小的表面颗粒半径、较低的碳污染以及较高的表面能;另外,以不同材料处理的氧化钢锡 基片为阳极采用真空热蒸发法制备了双层结构发光器件ITO/NPB/AIQ/Mg:Ag/Ag,并对器件的电流一电压 、亮度一电压 特性以及效率( )进行了测试和分析,结果表明乙醇处理基片做制备器件性能最差,而经浓硫酸、NaOH处理后的氧化铟锡基 片所制备的双层器件的光电性能优于氧等离子处理,其启亮电压更低,发光亮度及效率更高. 关键词氧化铟锡;有机发光二极管;表面能:表面改性 中图分类号O472 .91 文献标识码A Influence of Surface Modification of IndiumTin Oxide on Performance of Organic Light Emitting Diodes LIWei-zhi,JIXing-qiao,YANGXiu,ZI-IONGZhi-you,JIANGYa-dong (School ofOpto-Electronic Information,University Eletronic Science and Technology ofChina Chongdu 610054) Abstract Surfcae of Indium Tin Oxide(iTo)films on glass substrates were treated by ethanol,oxygen plsama,NaOH,and sulfuric acid,respectively and then analyzed by Atomic Force Microscope(arM),X—ray Photoelectron Spectroscopy(xPs)and goniometer.Results show that ITO iflms treated yb sulfuric acid nad NaOH have lOW roughness,small grani radius,lOW contamination of carbon,and hihg surface energy.Double layer Organic Light-Emitting Diodes(OLEDs):ITO/NPB(15 am)/AIQ(4o nm)/Mg:Ag(10:1,100 nm)/Ag(50 nm) were fabricated on subslrates treated above.Current-voltage ,brihgtness-voltage - ,and eifciency(,7) characteristics of htese devices were measured and discussed in details.Experimental results show that devices based on NaOH-rteated and sulfuric-acid-rteated substrates have better performance comparing wiht oxygen-plsama-rteated substrate,namely lower turn-on volatge,hihger electroluminescent brihgtness nad hihger efifciency. Key WOrds indium tin oxide;organic lihgt-emittnig diodes;surface energy;surface modiifcation 氧化铟锡(Indimu Tin Oxide,ITo)导电薄膜由于 这些处理方式包括两大类:湿法处理和干法处理。 具有良好的导电性及在可见光范围内高的透过率而 前者是通过不同的有机溶剂在ITO表面键合新的基 在光电领域(如液晶显示、太阳能电池)等方面得到广 团来达到改性目的;后者一般采用各种电离气体等 泛应用:同样由于其优良的光电性能,ITO导电薄膜 离子体傅【气、氮气、氩气等)对ITO薄膜进行溅射清 在有机电致发光二极管(Organic Lihgt Emitnig 洗,达到去除薄膜表面污染和改善表面形貌的目的。 Diode,OLED) ̄'作为器件的阳极材料ll 。众 氧等离子处理被认为是最有效的处理方式ll卜 21,因 多研究表明,ITO薄膜的表面性质,如电阻、晶粒大 为处理后的ITO功函数的提高降低了空穴注入势垒。 小、表面形貌等对OLEDs器件性能(如发光亮度、效 在表面处理方法中,采用无机溶液处理的报道相对 率、稳定性等)有重要影响【5. 01。因此人们尝试各种 较少,本文采用有机溶剂(乙醇)、酸(浓硫酸)、碱 处理方法对ITO薄膜表面进行改性以提高器件性能。 (NaOH)和氧等离子分别对ITO薄膜进行处理,并对 收稿日期;2005—09—16 基金项目l国防预研基金资助项I ̄(51402040205) 作者简介t黎威志(1978一),男,博士生。主要从事有机光电材料与器件方面的研究. 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第5期 黎威志等: ITO表面改性对有机电致发光器件性能的影响 57 的电导,这相当于提高了同样电压下的载流子注入 水平而改善器件性能。 表l还列出了各基片经不同方式处理后的表面 能。可以看出,处理方式不同,ITO表面能也有所不 同,表面能从1 到4 依次增加。固体表面能是反映 液体在其上的浸润性的重要参数,表面能越大表明 液体在表面的浸润性越好。另外表面能还反映了表 面附着有其他杂质微粒的情况,表面能越大说明表 面杂质微粒越少。可以预见经过后面三种方式处理 后,在制备OLEDs器件时,有机功能层在ITO膜表面 的附着性将比乙醇处理后好得多,这样就大大增加 了二者之间的接触面积,从而增加了注入到有机层 中的空穴载流子。 2.2 OLEDs器件的J-V、B-V特性测试结果 所测试双层器件ITO/NPB/A1Q/Mg:Ag/Ag ̄J-V 及 性曲线如图2所示。从 性可以看出,乙 醇处理的l 基片制备的器件在低电压时(<6 V),电流 随电压呈不规整的变化:初始电流很大,达到每平 方厘米数十毫安,到5、,左右达最大(60 mA/cm2),然 后急剧减t# ̄lJ20 mA/cm 左右,从6.5 V开始又稳步 上升。一般说来,OLEDs器件在启亮电压之前其电 流应该非常小, ̄l/A/ ̄m 量级。1 器件初始的大电 流起因之一可能是ITO表面随机附着的污染物导致 了有机层在其上的附着很不均匀,某些很薄的局部 出现高电场,器件电流的主要部分,即大部分载流 子,以隧穿方式通过这些高场区直接到达被电极中 和掉而并未注入到有机发光层参与复合,因此这时 虽然器件有较大电流但无发光;当电流增大到一定 程度,释放出来的焦耳热使得高场区对应的有机层 晶化甚至烧毁,该处的两电极分离形成断路,隧穿 因此截止。隧穿的截止使得整个器件的电流大大降 低,这时才开始有载流子注入到发光层,而电流一 电压关系也开始体现出二极管特性:另一方面,I1.0 薄膜本身较大的Rp-V距离对于产生这样的高场区也 是一个重要的因素,在大的峰值(1 的Rp-v距离达25 ilm,该数值几乎为整个有机层的一半厚度)处的有机 层厚度可能只有其他区域有机层厚度的几分之一, 这样的区域就很容易出现高电场下的载流子隧穿现 象,甚至该处的有机层出现针孔而造成器件短路。 与l 器件相比,2 、3 、4 器件的 舛等性表现 为典型的二极管特性。在整个测试范围内,电流随 电压呈平滑的变化,反映了器件稳定的电学性能。 三器件中,4 的开启电压最低(3.5 V),接下是2 (4 v) 和3撑(4.5 V)。可见,它们的开启电压都明显比1撑(6 V) 小。不过随着电压的升高,2 、3 的亮度 随电压 的增加速率要快于4 。1"-7.5 V时,2 、3 器件的亮 度(分别为632、490 c.d/m )已超过 ̄(4oo cd/m ); V---9.5 V时,3 器件的亮度为l 780 cd/m2,这时已经 超过2撑器件(1 700 cd,m2)而为最大。在测试范围内 ( 0~1 V),四个器件的最大亮度从高到低依次为 3 、2 、4 、1 (3 500、2 756、2 100、670 cd/m2)。 经计算,它们对应的发光效率依次为3.2、2.6、2.5、 0.3 cd/A,如表2所示。 表2给出了各器件的主要光电性能参数。从表中 给出的数据可见,以浓硫酸、NaOH处理后的ITO薄 膜为阳极的OLEDs器件具有较低的启亮电压、较高 的发光亮度和效率,其性能优于氧等离子处理。 ; 吾 b.B- 能对比 图2不同处理基片所制各器件的 . 能对比 表2不同处理基片所制备器件的光电性能参数 (下转第961页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 阳 秀等:空穴传输层厚度对OLED性能的影响 96l 穴传输层厚度为1 5 nm时,双层器件有较佳的器件性 charge c ̄riers and moleculra excitions within 5 nm thick 能,其起亮电压最低,发光亮度和发光效率最高。 emiter layer in organic elcetroluminescent devices with a double heterostructure[J].Appl Phys Lett,l 990,57(1 3): 531—533. 参考文献 『71 FORREST S&B U]RROWS P E,1HOMPSoN M E. 『l 1 TANG C Ⅵ S KE S A.Organic elcetroluminesceent Organic emiters promise a new generation of displays[J] diodes[J].Appl Phys Lett,1987,51(12):913—915. Laser Focus w0rid.1995.3 l:99-l07. 『21 BERTHELOT L,1.ARDY J'MASENELLI B。 et a1. 【8】s}玎BN J,WANG D,LANGLOIS E,et a1.Degradation PVK-AIq1 organic electroluminescent didoes:Transport mechanisms in organic lihgt emiting didoes[J].Synthetic propetries and color tuning via PVK dopin烈J1.SPIE,1 999, Metals.2000.1l 1.1l 2:233.236. 3797:408-4l6. 『91 MORI OBATA K。 MIZU1:ANI et al f31 BULOVII ̄V'TIAN P'BURROWS P E,et a1.Surface Elcetroluminescence of organic lihgt emitting diodes with emiting vacuum deposited organic light emitting device[J]. alternately depositde dye-doped aluminium quinoline and Appl Phys Lett,1 997,70(22):2954-2956. diamine derivative[J].Jounal of Physics D,1 999,32: 【4】XU PENG J,MO et a1.、Ⅳhite polymer lihgt—emiting ll98一l2o3. didoeswith bilayer structure[J].SPIE,2005,4 64l:l72.177. 【l0】BARTH S,MULLER P’RlEL H,et a1.Elcetron injection f5】YERSlN H.Organometallic triplet emiters for OLED into an Alq3 snigle—layer organic lihgt—emitting diode[J] applications:Controlling ofemission properties by chemical Synth Met,2000.1l l:327.330. variation[J].SPIE,2004,5 214:124・132. f6】CHIHAyA A,TETSUO SHOGO S.Confinement of 编辑漆蓉 (上接第957页) of indimu tin oxide by plasma treatment:An effective 3结论 mehtod to improve the efficiency,brihgI ̄less,and reliability 本文采用乙醇、氧等离子、NaOH、浓硫酸对ITO oforganic lihgt emitnig devices[J].App1.Phys.Lett.1997. 70:l348.1350. 薄膜进行了处理,对不同处理的ITO基片进行AFM、 【71 MORJ ,A H,FUJITA M.Crystallization and electrical XPS及表面能的分析。结果表明,经浓硫酸、NaOH property change on the annealing of amorphous 处理后的ITO基片具有较小的粗糙度、适当的表面颗 nidium-oxide nad nidimu.tni.oxide thin iflms[J].Thin Solid Films.2000.359:6 1.67. 粒半径、较小的碳污染以及较大的表面能。浓硫酸 【81 KULKARNI A K,SCHULZ K H,LIM T S,et a1 .处理后器件性能的提高还归因于氧空位的增加提高 Dependence of hte sheet resistance of indimu-tin—oxide thin 了ITO薄膜的导电性能。通过对比不同器件的性能, iflsm on grain size and grain orientation determined from X—ary difraction tcehniques[]J.1'hin Solid Films,1999,345 证实了酸、碱处理方式后的ITO基片制备的OLEDs 273.277. ’ 器件具有较低的开启电压、较高的发光亮度和效率。 f91 LOW B L,删F R Z} NG K R et al An ni situ sheet resistance study of oxidative—treated indium tin oxide 参考文献 substrates for organic lihgt emitting display appliactions[J] Thin Solid Films.2002,417:l16一l19. 【11 TANG C w,VANSLYKE S A.Organic elcetroluminescent 【101TAK Y-H,l(IM K.B,PARK H—G et a1.Criteria for lTO didoes[J].App1.Phys.Lett.,1987,51(12):913—915. 【2】KIDO J,LIZUMI Y Fabrication of hiihgly efifcient organic (indimu-tin-oxide)thin film as the bottom electrode of na elcetroluminescent devices[J].App1.Phys.Lett.,1998,73: organic lihgt emittingdidoe[J].1'hin Solid Films,2001,41l 2721.2723. 12.16. 【31 DODABALAPUR BAO z’MAKHJ1A et a1.Organic 【l1】IsHII M'MORI FuJI ,A H,et a1.Improvement of smart pixels[]J.App1.Phys.Lett.,1998,73:142-144. organic electroluminescent device performance by in situ 【4】KIM H PIQUE J S,HORWITZ,et a1.Indium tin oxide plsama treatment of nidium-tni-oxide surface[J].Journal of thin iflms for organic lihgt-emitting devices[]J.App1.Phys. Luminescence,2O0o,87・89:l165-l167. Lett.,1 999,74(2):3444・3446. 【12】LU D,、Vu Y GUO J,et 1a.Surfacetreatment ofindiumtin 【5】KULKARNI AK,sCHULz K H,LlM T s,et 1a.Elcetrical, oxide by oxygen・・plasma for organic lihgt・・emiting optical nad structural characteristics of nidium-tin-oxide thin diodes[]J.Mateirals Science&Engineering B,2003,97(2): iflsm deposited on glass and polymer substrates[]J.Thin 14】.144. Solid Films,1997,308-309:1-7. 【6】wU C C,wU C I,s 瓜M J C,et a1.Surface modiifaction 编辑漆蓉 

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