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本文较为系统地研究了以体硅和薄膜硅为阳极的有机电致发光。一般硅基有机发光二极管采用p型硅作阳极,而本文利用硅中的深中心,使得n型硅也可以很好的作为有机发光器件的阳极。具体来说,向n+-Si禁带中引入在反向偏压下能起到产生中心作用的深能级,使得n+-Si阳极能向有机层中有效地注入空穴;当产生中心的浓度合适时,n+-Si阳极注入到有机层的空穴电流与从阴极注入到有机层的电子电流相匹配,从而提高了有机发光二极管的发光效率;考虑到体硅材料对可见光有很强的吸收,为进一步提高器件的发光效率,我们又发展了纳米厚度的含产生中心的n型多晶硅薄膜来取代体硅材料作为发光二极管的阳极,后来我们认识到在这种镍诱导硅晶化的过程中,镍除了诱导硅晶化外,还生成了方块电阻明显较低的镍硅化合物层,降低了阳极的串联电阻,从而提高了发光效率;我们发展了纳米厚度的镍硅化合物/p型多晶硅阳极,结合采用磷光发光材料等多个措施,得到了目前国际上硅基电致发光中最高的外量子效率.有代表性的创新研究成果主要体现在以下几个方面:
1.由于n+-Si阳极中本身的空穴浓度极低,所以n+-Si阳极本身几乎不能向有机层中注入空穴,而向n+-Si阳极中引入产生中心可以使得n+-Si阳极向有机层中有效地注入空穴,当Au产生中心浓度合适时,注入有机层的空穴电流与阴极注入有机层的电子电流相匹配,从而相比于未引入Au产生中心的n+-Si阳极器件来说,功率效率得到了大幅度的提升。对于结构为n+-Si:Au/NPB/AlQ/Sm/Au的器件来说,在优化了Au产生中心浓度之后,其最大功率效率达到1.01m/W;当用电子传输性能更优的BPhen:Cs2CO3取代部分A1Q作为电子传输材料时,通过升高Au扩散温度来增加n+-Si阳极中的Au产生中心浓度,使得空穴电流增加到能够与提升了的电子电流相匹配,器件的功率效率进一步提升到1.81m/W;我们进一步将n+-Si:Au阳极与磷光发光材料(ppy)2Ir(acac)相结合来研究硅基有机电致发光:所采用的有机磷光发光二极管的结构为n+-Si:Au/NPB/CBP:(ppy)2Ir(acac)(10wt%)/Bphen/Bphen:Cs2CO3(mass ratio of1:1)/Sm/Au,功率效率和电流效率大幅度提升,分别达到531m/W和49 cd/A,相应的能量转换效率和外量子效率分别为10%和12%。
2.由5 MeV的电子辐照在n+-Si中所引入的某些深能级缺陷也可能被用作有效的空穴产生中心,并且也可以通过调整电子辐照剂量来实现对硅阳极中的产生中心浓度和相应的空穴注入电流的调整。相比于未经辐照的同结构的有机发光二极管而言,采用辐照剂量适当的n+-Si为阳极的有机发光二极管可以达到明显较高的发光效率。例如结构为:irradiated n+-Si/NPB/CBP:(ppy)2Ir(acac)/Bphen/Bphen:Cs2CO3/Sm/Au的器件,其电流效率和功率效率分别达到12 cd/A和4.21m/W;而对于荧光器件irradiated n+-Si/NPB/AlQ/Bphen:Cs2CO3(mass ratio of1:1)/Sm/Au,其发光效率也达到1.0 cd/A和0.171m/W,均分别远高于以未经辐照的n+-Si为阳极的磷光和荧光有机发光二极管。
3.为进一步提高磷光器件的发光效率,我们用纳米厚度(10 nm)的含Au产生中心的n-Si薄膜来取代体材料n+-Si:Au作为有机发光二极管的阳极。通过优化n-Si:Au薄膜的厚度,Au扩散温度等参数,以n-Si:Au薄膜为阳极的磷光发光二极管的最大电流效率和功率效率可以分别达到85 cd/A和801m/W,其相应的外量子效率和能量转换效率可以分别达到21%和15%,比同结构的ITO为阳极的器件分别高出60%和110%,比同结构的体材料n+-Si:Au为阳极的器件分别高出70%和50%。
4.我们还设计了以纳米厚度(~10 nm)的镍硅化合物/多晶硅复合薄膜为阳极的磷光发光二极管。在这种复合阳极中,由镍诱导晶化的多晶硅层起着向有机层中注入空穴的作用,而镍硅化合物层起着降低复合阳极的方块电阻从而减小发光二极管的串联电阻的作用。对于结构为A1 mirror/glass substrate/Si isolationlayer/Ni silicate/polycrystalline p-Si/V2O5/NPB/CBP:(ppy)2Ir(acac)/Bphen/Bphen:Cs2CO3/Srrd Au/BCP的发光二极管而言,优化用于诱导晶化并形成镍硅化合物的初始镍层厚度后,最大外量子效率和最大能量转换效率分别达到26%和11%,其中最大外量子效率是目前国际上硅基电致发光中最高的。