Dispositifs électroluminescents organiques phosphorescents à trois couches efficaces sans couche de modification d'électrode et son mécanisme de fonctionnement

Contexte

Tout le monde sait que les dispositifs électroluminescents organiques (OLED) ont attiré une attention considérable pour l'éclairage à semi-conducteurs, les écrans couleur, etc. De nombreuses couches fonctionnelles, telles que la couche de modification d'anode (AML), la couche de modification de cathode (CML), la couche de blocage de trous (HBL) et la couche de blocage d'électrons (EBL), ont été introduites dans les OLED pour atteindre un niveau élevé -efficacité et faible tension d'allumage. L'AML et la CML sont utilisées pour améliorer l'injection de trous ou d'électrons, respectivement [1, 2]. Alors que les HBL et EBL peuvent bloquer efficacement la diffusion de l'exciton de la couche luminescente dans la couche de transport [3]. De toute évidence, la structure multicouche devient un moyen fréquemment utilisé pour améliorer les performances du dispositif. Cependant, comme une couche de plus signifie un processus de préparation supplémentaire, les couches fonctionnelles en excès entraîneraient également des délais longs et des coûts élevés qui limitent le développement de leur industrialisation. Avec l'amélioration du système de matériaux organiques, certains matériaux pourraient jouer plusieurs rôles dans les OLED en raison de leurs propriétés importantes. Par exemple, le complexe acide désoxyribonucléique-cétyltrimétylammonium peut agir comme des couches de transport de trous (HTL) en raison de la mobilité élevée des trous, tandis que le faible niveau d'énergie de l'orbitale moléculaire inoccupée (LUMO) le plus bas le rend approprié pour l'EBL [4]. 4,4',4'-Tris (carbazol-9-yl)-triphénylamine (TCTA) est généralement utilisé pour être HTL; en outre, il peut également servir d'hôte dans la couche émettrice (EML) en raison de son énergie triplet élevée [5, 6]. Par conséquent, il est possible de simplifier la structure sans sacrifier les performances du dispositif en choisissant un matériau approprié. Cependant, peu d'études ont été réalisées sur des OLED blanches phosphorescentes (PHWOLED) à structure simple [7, 8].

Plus récemment, les caractéristiques de capacité basées sur la mesure de la spectroscopie d'impédance (IS) ont été un outil largement utilisé pour étudier les mécanismes physiques des OLED. Il a été rapporté que le point d'inflexion du premier pic des courbes capacité-tension (C-V) correspondait à la tension d'allumage des OLED. C'est aussi une sonde très sensible de l'accumulation de porteurs causée par la barrière à l'interface des couches organiques ou le déséquilibre d'injection et de transport de charges dans les dispositifs [9,10,11,12,13,14,15,16,17]. Pendant ce temps, l'électroluminescence transitoire (EL) a également fait l'objet de recherches technologiques et fondamentales intenses, car les études EL transitoires ont permis de mieux comprendre le mécanisme de fonctionnement interne des OLED. L'EL transitoire est étudiée en pilotant les dispositifs avec de courtes impulsions de tension rectangulaires. Les temps de réponse obtenus à partir des caractéristiques EL transitoires des appareils fournissent un critère essentiel pour leur application [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28].

Dans cet article, via la spectroscopie d'impédance et l'analyse transitoire, nous confirmons que di-[4-(N ,N -ditolyl-amino)-phényl] cyclohexane (TAPC) et 4,7-diphényl-1,10-phénanthroline (Bphen) peuvent être utilisés pour jouer plusieurs rôles dans les OLED. Combiné avec un matériau de transport bipolaire 4,4′-N ,N ′-dicarbazole-biphényle (CBP), nous fabriquons des PHOLED tricouches efficaces. De toute évidence, les performances des OLED tricouches sont comparables à celles des OLED multicouches courantes et possèdent même une meilleure efficacité. Elle est interprétée par le modèle mathématique des mécanismes d'extinction des excitons. Par la suite, nous nous concentrons sur les mécanismes de recombinaison des porteurs et d'extinction des excitons qui se sont produits dans les dispositifs phosphorescents monochromatiques afin de poursuivre l'optimisation de la structure. Avec l'existence de Langevin et la recombinaison assistée par piège dans le tris(2-phénylpyridine) iridium dopé CBP [Ir(ppy)₃ ] et iridium (III) bis-(2-méthyldibenzo-[f, h] quinoxaline) (acétylacétonate) [Ir(MDQ)₂ (acac)], deux mécanismes d'extinction des excitons, à savoir l'annihilation triplet-triplet (TTA) et l'annihilation triplet-polaron (TPA), peuvent être observés via le modèle mathématique.

Méthodes/Expérimental

Fabrication d'appareils

Les petits matériaux organiques moléculaires utilisés dans nos expériences sont achetés auprès de Luminescence Technology Corporation, c'est-à-dire TAPC, Bphen, 1,3,5-tri (m-pyrid-3-yl-phényl) benzène (TmPyPB) et CBP. Le dopant phosphorescent Ir(ppy)₃ , Ir(MDQ)₂ (acac) et bis [(4,6-difluorophényl)-pyridinato-N,C ² ′] (picolinato) Ir(III) (FIrpic), et le poly(3,4-éthylènedioxythiophène)-poly(styrène sulfonate) (PEDOT:PSS, PH8000) sont obtenus auprès de Xi'an p-OLED. Ainsi, tous les matériaux et solvants sont disponibles dans le commerce et utilisés tels quels sans autre purification.

Tous les dispositifs sont préparés sur des substrats en verre recouverts de bandes d'oxyde d'indium et d'étain (ITO). Avant le dépôt du film, les substrats en verre ITO sont soumis à un processus de nettoyage de routine avec rinçage dans Decon 90, eau déminéralisée, séchage dans un four et enfin traités dans une chambre de nettoyage au plasma pendant environ 5 min. Les films PEDOT:PSS sont fabriqués par revêtement par centrifugation à partir d'une solution aqueuse avant dépôt avec une épaisseur d'environ 40 nm, puis les films PEDOT:PSS sont tous recuits à 120 °C pendant 10 min.

Toutes les couches organiques et la cathode sont évaporées par dépôt thermique en phase vapeur à l'aide de filaments de tungstène chauffés par résistance et de nacelles métalliques sous vide poussé (~ 5 × 10 ⁻⁴ Pa) à un taux de 1-2 Å s ⁻¹ surveillé in situ avec un oscillateur à quartz. La cathode que nous avons utilisée dans nos expériences est un alliage Mg:Ag (15:1), qui est contrôlé indépendamment par des moniteurs de dépôt de couche mince séparés, de même que le processus de dopage dans EML. Enfin, quatre zones actives des appareils sur chaque substrat mesuraient 10 mm ² , qui est décidé par le chevauchement entre l'anode et la cathode via l'utilisation d'un masque d'ombre [24, 25].

Caractérisations

Les caractéristiques de luminance-densité de courant-tension et les spectres des appareils non emballés sont mesurés simultanément à l'aide d'un système de mesure goniophotométrique basé sur un spectromètre (GP-500, Otsuka Electronics Co. Osaka, Japon) dans l'air à température ambiante.

Pour la mesure de la décroissance de la tension transitoire, une diode de commutation à grande vitesse (Philips, 1N4531) et un générateur de forme d'onde arbitraire (Rigol, DG5102) sont connectés à nos appareils en série de manière ordonnée, et la tension transitoire des appareils est enregistrée par un oscilloscope numérique (Rigol , DS4054) après un moyennage de signal consécutif. Dans la mesure EL transitoire, les appareils testés sont alimentés par une tension pulsée avec une largeur d'impulsion de 1 ms en utilisant un générateur de formes d'ondes arbitraires (Rigol, DG5102) comme commutateur électrique pour piloter les appareils testés et un signal de déclenchement pour démarrer la collecte de signaux EL. La réponse EL transitoire a été détectée et collectée à l'aide d'une photodiode à avalanche (C30902) et d'un système de comptage de photons uniques corrélés dans le temps.

Les caractéristiques capacité-tension (C-V) sont mesurées avec un analyseur d'impédance (TH2829C, Changzhou Tonghui Electronic Co., Ltd., Chine) avec une amplitude d'oscillation de 100 mV et un taux de répétition de 1 kHz. La plage de polarisation continue appliquée par cette configuration permet un balayage de 0 à + 10 V [26].

Résultats et discussion

Des OLED efficaces simplifiées sans AML

Pour se débarrasser de la LMA, nous choisissons TAPC comme HTL dans les OLED phosphorescentes vertes, car le niveau d'énergie orbital moléculaire occupé le plus élevé (HOMO) est similaire à la fonction de travail de l'ITO [5]. Nous effectuons des expériences de contraste sur un ITO/x/CBP : 10 % en poids Ir(ppy)₃ (30 nm)/TmPyPB (50 nm)/LiF (0,5 nm)/Mg:Ag (120 nm) OLED, tandis que la structure de x est TAPC (50 nm), MoO₃ (3 nm)/TAPC (50 nm) et PEDOT:PSS (50 nm)/TAPC (50 nm), respectivement. Afin de différencier les trois appareils, nous les marquons comme D ₁ , D ₂ , et D ₃ à leur tour. Tout d'abord, nous étudions la capacité d'injection de trous de ces dispositifs en analysant leurs caractéristiques capacité-tension et densité de courant-tension-luminance. Comme nous pouvons le voir sur la figure 1a, la tension de mise sous tension des trois appareils est d'environ 3 V. Elle correspond au maximum du premier pic de leurs caractéristiques capacité-tension, ce qui indique que cela ne fait aucune différence pour la mise en marche. sur tension sans AML en D ₁ [9,10,11]. La figure 1b montre les caractéristiques de densité de courant-tension (JV) des trois appareils à l'échelle log-log, nous divisons les courbes JV en trois régions, (I) courant de fuite ou de diffusion limité causé par le contact ohmique, (II) volume- courant contrôlé avec une distribution exponentielle des pièges, et (III) courant contrôlé en volume avec des pièges partiellement remplis [20]. La densité de courant plus élevée de l'appareil D ₃ à faible tension appliquée dans la région I peut être attribué au courant de fuite causé par la morphologie du film rugueux des films PEDOT:PSS traités en solution. De plus, le décalage vers la droite du point de retournement entre la région I et la région II (de A à A") présente l'injection de porteur la plus forte en D ₁ , tandis que la valeur de capacité la plus élevée de D ₁ indique que plus de trous s'injectent dans le dispositif puis s'accumulent dans l'interface ou en vrac [29]. De toute évidence, l'interface d'ITO/TAPC montre une meilleure capacité d'injection de trous. Nous pouvons également constater que la densité de courant de D ₁ est supérieure aux valeurs des deux autres appareils avec l'augmentation de la tension appliquée. Elle peut être attribuée à la couche dipolaire générée entre les interfaces ITO/TAPC. Après l'introduction d'un AML supplémentaire, la couche dipolaire intrinsèque est rompue, ce qui entraîne une capacité d'injection plus faible entre les deux dispositifs [10, 30]. Dans les références rapportées, l'AML peut être utilisé pour réduire la densité de pièges qui peut avoir un impact sur la stabilité du dispositif [31]. Pour D ₁ , la pente de la courbe J-V dans la région III (m = 11) est plus grand que les valeurs de D ₂ et D ₃ (m = 7, 8), la valeur la plus élevée de m signifie toujours une densité de piégeage plus élevée [18]. La densité de piégeage plus élevée de l'appareil D ₁ peut être attribué au changement de morphologie du film TAPC en raison du manque de couche de mouillage, telle que MoO₃ ou PEDOT : PSS. De plus, les points de retournement C et C' illustrés sur la figure 1 sont pertinents pour l'augmentation rapide de l'injection d'électrons avec l'augmentation de la tension de polarisation.

un Caractéristiques capacité-tension-luminance (C-V-L) de D ₁ , D ₂ , et D ₃ . La ligne continue orange montre la tension d'activation correspondant au maximum du premier pic de leurs caractéristiques C-V. b Courbes de densité-tension de courant des trois appareils à l'échelle log-log, en outre divisées en trois régions marquées par des lignes pointillées violettes marquées I, II et III. La densité de courant (J) et la tension (V) sont conformes à la relation de \( J\propto {aV}^m \)

Une autre étude est menée pour rechercher l'injection de porteurs des dispositifs ci-dessus par les caractéristiques de décharge de tension transitoire. Le circuit de test est illustré à la Fig. 2a. Deux temps de réponse sont observés sur la Fig. 2b sous la tension appliquée de 5 V. Le temps de décroissance rapide τ ₁ est d'environ 100 μs dans l'encart de la figure 2b. Ensuite, une décroissance plus lente a suivi τ ₂ est supérieur à un ordre de grandeur (τ ₂ est à l'échelle de la milliseconde) [7]. La diode est considérée comme un fil lorsque le générateur fournit une tension positive. Les porteurs de charge peuvent être transférés facilement dans l'appareil, puis avec la barrière d'injection de porteurs, il y a un certain nombre de trous et d'électrons accumulés à l'interface entre les couches organiques, l'anode et la cathode, respectivement. La diode devient une résistance infinie inversement lorsque la tension appliquée devient négative. Les porteurs de charge ne peuvent pas atteindre l'appareil, de sorte que les trous résiduels dans l'interface ITO/couche organique peuvent traverser les couches organiques et neutraliser les électrons rémanents diffusés ou déplacés par les charges spatiales de l'interface cathodique. Par conséquent, la tendance à la baisse de deux temps de réponse, en particulier le τ ₁ sont déterminés par l'injection de trous et la capacité de transport des couches organiques dans nos appareils de contraste. Il est évident que la tension de D ₁ tombe aux vitesses les plus rapides, ce qui représente une excellente capacité d'injection de trous avec la structure de l'ITO/TAPC simplement. Comme les résistances des résistances internes dans nos échantillons atteignent l'amplitude de MΩ, l'influence de l'oscilloscope avec une résistance de 1 MΩ ne peut être ignorée. C'est pourquoi, seule une petite distinction peut être observée dans les trois tendances à la baisse de τ ₂ [21, 22].

un Circuit de test de mesure des caractéristiques de décharge de tension transitoire. b Caractéristiques de décroissance de la tension transitoire résolues dans le temps à 5 V (D ₁ , D ₂ , et D ₃ ). [Encart :Un temps de décroissance rapide τ ₁ ≈ 100 μs. La flèche pointillée orange montre différents taux de chute des appareils]. c Tension de mise sous tension (V _sur ) de S ₁ , S ₂ , et S ₃ [Encart :Courbes luminance-tension]. d Intensité d'électroluminescence (EL) à résolution temporelle normalisée de S ₁ , S ₂ , et S ₃ à 9 V. (La ligne pointillée orange indique le temps de déclenchement EL des appareils qui est d'environ 0,32 μs, 1,05 μs et 0,48 μs, respectivement)

des OLED efficaces simplifiées sans CML

Ensuite, nous concevons une nouvelle expérience contrastive avec la simplification supplémentaire de l'ETL. Comme décrit dans la référence rapportée par Scholz et al. [32], les adduits donneur-accepteur métal-organique [Bphen+Ag] ⁺ et [2Bphen+Ag] ⁺ se formera à l'interface Ag-on-BPhen en raison d'un effet d'auto-dopage. Nos résultats expérimentaux précédents ont également indiqué que ces adduits métal-organique amélioreront l'injection d'électrons de Mg:Ag (15:1) à Bphen. Par conséquent, Bphen est choisi pour être le matériau de transport d'électrons expérimental approprié ici. La structure est ITO/TAPC (50 nm)/CBP : 10 % en poids Ir(ppy)₃ (30 nm)/an/Mg : Ag (120 nm). Le y est TmPyPB (50 nm)/LiF (0,5 nm), TmPyPB (50 nm) et Bphen (50 nm). S ₁ , S ₂ , et S ₃ sont définis comme les trois échantillons, respectivement. La figure 2c montre les caractéristiques d'activation de ces trois échantillons. On peut voir que S ₃ a la même tension d'allumage (V _sur = 3 V) avec S ₁ , les caractéristiques luminance-tension de S ₃ sont également similaires à ceux de S ₁ dans l'encart de la Fig. 2c. Ainsi, nous concluons que la structure simple dans S ₃ possède une grande capacité d'injection d'électrons, qui est comparable à S ₁ . De plus, nous pouvons étudier la capacité d'injection de porteurs des trois dispositifs en discutant du comportement résolu en temps de l'EL transitoire. Les lignes pointillées de la Fig. 2d montrent que les temps d'apparition des EL des appareils S ₁ , S ₂ , et S ₃ sont respectivement d'environ 0,32 μs, 1,05 μs et 0,48 μs. Le temps de début EL est également appelé temps de retard (t _d ). Il est composé du temps d'injection t _inj et temps de transport t _trans . La plus grande tension de seuil V _ème entraîne directement le plus long t _inj . Par conséquent, il est simple de prouver que S ₃ peut également posséder une excellente capacité d'injection d'électrons [23,24,25].

Comparaison des performances entre les OLED tricouches simples et multicouches

Enfin, un simple PHOLED vert avec une structure tricouche est obtenu comme le montre la figure 3a, c'est-à-dire ITO/TAPC (50 nm)/CBP : 10 % en poids Ir(ppy)₃ (30 nm)/Bphen (50 nm)/Mg:Ag (120 nm) (appareil 3). De plus, le dispositif 1 et le dispositif 2 ont été fabriqués en contraste. Le premier a des couches fonctionnelles supplémentaires :MoO₃ (3 nm) et LiF (0,5 nm) servant respectivement d'AML et de CML, tandis que ce dernier n'introduit qu'un mince film LiF. La figure 3b, c montre les caractéristiques de densité de courant-tension-luminance (J-V-L) et les caractéristiques d'efficacité de courant-luminance-efficacité quantique externe (CE-L-EQE) des trois dispositifs. Bien que la densité de courant et la luminance du dispositif 3 soient inférieures à celles des deux autres dispositifs, comme le montre la figure 3b, la même tension d'activation a également pu être observée. Cela indique que l'injection de porteurs n'a pas été influencée par la simplification des couches de modification des électrodes. Néanmoins, il est confus que l'efficacité de l'appareil 3 affiche une diminution la plus faible sur la figure 3c.

un Schéma de structure des trois appareils. b Courbes densité de courant-tension-luminance (J-V-L). c Courbes efficacité actuelle–luminance–efficacité quantique externe (CE-L-EQE)

Pour expliquer l'existence d'un meilleur affaiblissement de l'efficacité dans le dispositif 3, nous simulons ensuite le mécanisme d'extinction des excitons via le modèle mathématique avec la fonction entre l'EQE et J. Il existe deux mécanismes d'extinction des excitons dans les PHOLED, à savoir le triplet-triplet l'annihilation (TTA) et l'annihilation triplet-polaron (TPA). L'équation de taux dans le modèle est présentée comme suit :

Pour l'éq. (4), on considère que les porteurs de charges se recombinent via la recombinaison de Langevin avec le taux K _L , où q est la charge élémentaire, μ _e/h est la mobilité, ε _r est la permittivité relative, et ε ₀ est la permittivité de l'espace libre. Les densités de triplet et de polaron, n _T et n _P , ont été calculés par les équations. (5) et (6), où K _TT et K _TP sont les constantes de vitesse décrivant la cinétique des procédés TTA et TPA. En fait, l'efficacité quantique interne (IQE) est le rapport des triplets radiatifs en désintégration sur le nombre d'électrons injectés à partir de l'Eq. (sept). Pour simplifier, nous ne considérons pas le découplage de la lumière. De plus, le rendement électrique et le rendement quantique PL à faible densité de courant sont fixés à 1. Par conséquent, l'IQE calculé est utilisé pour comparer avec l'EQE expérimental [33].

Comme nous pouvons le voir sur la figure 4b–d, un grave effet d'extinction d'exiton existait dans les dispositifs 1 et 2, en particulier le TPA. Le CBP est un matériau de transport bipolaire, mais la mobilité des trous est d'un ordre de grandeur supérieur à la mobilité des électrons. Combiné avec les diagrammes schématiques des niveaux d'énergie de la Fig. 4a, la zone de recombinaison doit être adjacente à l'interface EML/ETL. En outre, nous constatons que les niveaux d'énergie HOMO et LUMO de Bphen sont similaires à ceux de CBP; par conséquent, il est plus facile pour les trous de traverser la couche CBP dans Bphen et peu de trous s'accumulent à l'interface entre CBP et Bphen. En ce qui concerne le dispositif 1 et le dispositif 2, un écart énergétique plus important entre TmPyPB et CBP peut également être observé sur la figure 4a, entraînant une accumulation de trous supplémentaires à l'interface CBP/TmPyPB. L'accumulation différente de trous à l'interface CBP/TmPyPB aurait des influences différentes sur les excitons formés à la même interface, résultant finalement en des TPA différents des dispositifs.

un Diagrammes schématiques des niveaux d'énergie des trois appareils. L'efficacité quantique interne simulée (IQE) (ligne continue verte ou rouge) et l'efficacité quantique externe (EQE) (point diffusé) agissent en fonction de la densité de courant. Les densités de triplet et de polaron (lignes rouges et noires) sont calculées selon les équations. (4)–(7). Les zones hachurées indiquent la contribution relative du TPA et du TTA ainsi que de l'émission à la désintégration globale des excitons. b –d correspondent respectivement à l'appareil 1, à l'appareil 2 et à l'appareil 3

Analyse du mécanisme de recombinaison d'excitons dans les PHOLED monochromes

Comme nous savons tous que la faible concentration de molécules dopantes phosphorescentes conduit à la longue distance intermoléculaire, on pense généralement que les matériaux phosphorescents agissent comme piégeage pour le porteur de charge. Par conséquent, il existe deux mécanismes de recombinaison dans l'EML des PHOLED, la recombinaison de Langevin I et la recombinaison assistée par piège II. Pour le premier, lorsque l'appareil est alimenté par une tension appliquée, une masse de porteurs injecte en continu dans l'EML. Les trous sont transférés à travers le matériau hôte, suivis d'une accumulation dans l'interface EML/ETL. En raison d'une bonne adaptation aux niveaux d'énergie entre l'ETL et la cathode, la plupart des électrons traversent l'ETL jusqu'à l'EML, puis se recombinent avec la charge stockée. Dans ce cas, les excitons générés dans le matériau hôte sont transférés au dopant par les mécanismes de Förster et/ou de Dexter; par conséquent, il appartient à la recombinaison bimoléculaire. Cette dernière zone de recombinaison est localisée dans le dopant en raison du piégeage à faible niveau d'énergie formé par l'invité phosphorescent [27].

Il est nécessaire d'étudier les mécanismes mentionnés ci-dessus. Comme différents types de recombinaison jouent un rôle de premier plan dans EML, cela aura un impact différent sur les performances de l'appareil. La structure des dispositifs avec différents dopants dans EML est illustrée à la figure 5a.

un Structure des dispositifs avec les différents dopants en EML :couche CBP pure sans dopant, dopé CBP 10 % en poids d'Ir(ppy)₃ (G) 5 % en poids d'Ir(MDQ)₂ (acac) (R) et 15 % en poids de FIrpic (B). Intensité normalisée de la EL transitoire b Ir(MDQ)₂ (acac), c Ir(ppy)₃ en fonction de la polarisation inverse (0 V, - 1 V, - 3 V et  - 5 V) après la coupure de la tension appliquée. La largeur d'impulsion de tension était de 1 ms et la fréquence d'impulsion était de 100 Hz. Une densité de courant de 90 mA cm ⁻² a été choisi pour être la hauteur d'impulsion de tension

Les comportements de recombinaison sont étudiés via les mesures EL transitoires. L'intensité normalisée de l'EL transitoire illustrée à la Fig. 5b, c est testée en modifiant la polarisation inverse (0 V, − 1 V, − 3 V et 5 V) après la coupure de la tension appliquée, tandis que la hauteur d'impulsion de tension correspond à un densité de courant de 90 mA cm ⁻² . La largeur d'impulsion de tension est de 1 ms et la fréquence d'impulsion est de 100 Hz. Comme le montre la Fig. 5b, c, le temps de montée des dispositifs verts et rouges ralentit avec l'augmentation de la polarisation inverse. Cependant, ce phénomène ne se produit pas dans les deux autres appareils. Le biais inverse retirerait les porteurs capturés des sites de piégeage, puis les porteurs piégés contribueraient moins à l'intensité EL. Ainsi, nous en déduisons que la recombinaison assistée par piège consiste probablement en des dispositifs fabriqués par Ir(MDQ) dopé CBP₂ (acac) ou Ir(ppy)₃ en raison de l'existence des charges piégées [27].

Une étude plus approfondie de l'existence de charges piégées est développée par mesure de spectroscopie d'impédance avec le résultat des courbes capacité-tension illustrées à la Fig. 6a. Deux pics forts ont pu être observés dans les caractéristiques C-V des dispositifs verts et rouges. De plus, il n'y a qu'un seul pic apparent dans le dispositif bleu. La tension de polarisation correspondant au premier pic des trois dispositifs est presque identique à la tension de mise sous tension. On peut interpréter que les porteurs de charge injectent constamment dans les appareils lorsque les appareils commencent à être entraînés par la tension appliquée, ce qui entraîne une augmentation de la capacité à basse tension. Et puis pour le dispositif vert, on considère qu'une petite partie des trous injectés sont capturés par piégeage via un colorant phosphorescent. Par la suite, ils sont recombinés avec les électrons de la cathode provoquant la recombinaison assistée par piège. Par conséquent, des parties de ces charges accumulées commencent à réduire à environ 3 V. Un phénomène similaire peut être observé dans la courbe C-V du dispositif rouge, la chute du premier pic à 3,5 V est causée par une recombinaison assistée par piège. De plus, le pic plus élevé de la courbe C-V de 2,5 à 5 V peut être attribué à l'effet de piégeage plus fort dans l'appareil rouge.

un Tracés C-V (points dispersés, f = 1 kHz) et courbes L-V (trait plein) pour les trois Ir(ppy) dopés PHOLED-CBP différents₃ (vert), Ir(MDQ)₂ (acac) (rouge) et FIrpic (bleu), respectivement. Les lignes pointillées violettes marquées dans le graphique représentant le V _sur . Où le point de la ligne des flèches sont les points d'inflexion dans les courbes. Diagrammes schématiques des niveaux d'énergie sur un OLED ITO/TAPC (50 nm)/CBP : 10 % en poids × (30 nm)/Bphen (50 nm)/Mg:Ag (120 nm). Le X est b Ir(ppy)₃ (vert), c Ir(MDQ)₂ (acac) (rouge), et d FIrpic (bleu). Deux mécanismes de recombinaison se produisent probablement dans EML, marqués comme I (recombinaison Langevin) et II (recombinaison assistée par piège). De plus, le point bleu représente le trou, tandis que le point rose est l'électron. e OLED phosphorescent vert basé sur CBP:Ir(ppy)₃ . f OLED rouge phosphorescent basé sur CBP:Ir(MDQ)₂ (acac). Les densités de triplet et de polaron (lignes bleues et noires) sont calculées selon les équations. (4)–(7)

Plus de trous injectent avec l'augmentation de la tension appliquée ; en plus de ceux piégés, la plupart d'entre eux sont stockés à l'interface d'EML/Bphen. Par conséquent, les deux courbes C-V des dispositifs verts et rouges augmentent à nouveau. À ce stade, la recombinaison de Langevin s'est produite dans l'EML, provoquant la réduction des supports stockés internes. Lorsque le taux de dissipation des charges dépasse leurs taux d'injection, les charges accumulées diminuent rapidement et la courbe C-V présente une forte baisse. Le processus de recombinaison est illustré à la Fig. 6b, c. A titre de comparaison, un seul pic fort apparaît dans la caractéristique de capacité du dispositif bleu, indiquant que seule la recombinaison de Langevin se produit dans l'EML. Des diagrammes schématiques des niveaux d'énergie avec le mécanisme de recombinaison sont illustrés à la figure 6d.

Nous pouvons également vérifier nos résultats via le modèle mathématique mentionné ci-dessus. Il est bien connu que le TTA est causé par une densité de triplet élevée, tandis que le taux de recombinaison élevé de Langevin réduirait la densité de triplet. Ainsi, le TTA peut être associé à la recombinaison de Langevin. Le TPA dépend des caractéristiques de piégeage de charge du système hôte-invité :lorsque les molécules émettrices constituent un site de piégeage pour les polarons au sein de l'hôte, un TPA accéléré peut être attendu [33].

La contribution correspondante de TTA et TPA à l'annihilation globale pour les deux appareils avec l'EML de CBP:Ir(ppy)₃ et CBP : Ir(MDQ)₂ (acac) est illustré à la Fig. 6e, f. L'IQE calculé coïncide avec l'EQE mesuré ; de plus, la distinction entre les courbes IQE et EQE à faible tension de polarisation est causée par le courant de fuite. Pour les deux appareils, la densité de polarons est supérieure à la densité de triplet lorsque la densité de courant est inférieure à 5 mA cm ⁻² . Par conséquent, nous pensons qu'il existe deux processus d'extinction en condition de fonctionnement, ce qui signifie que deux types de recombinaison se produisent dans l'EML. Un pourcentage plus élevé de TPA se produit dans le dispositif rouge, reflétant la plus forte recombinaison assistée par piège [33, 34].

En termes de processus de trempe discuté ci-dessus, il est évident que le TTA et le TPA peuvent réduire considérablement l'efficacité des OLED phosphorescentes. Par conséquent, afin de rechercher l'effet sur les performances de l'appareil en changeant le matériel hôte, nous préparons des appareils rouges avec différents hôtes, c'est-à-dire CBP, TCTA, 2,6-bis(3-(carbazol 9,9′-[4′-( 2-éthyl-1H -benzimidazol-1-yl)-9-yl) phényl)pyridine [26DCzPPy] et 2,2′[2″-1,3,5-benzinetriyl)-tris(1-phényl-1-H-benzimidazole) [TPBi ]. Lorsque CBP est utilisé comme hôte, le TTA et le TPA sont efficacement limités. Par conséquent, le CBP est choisi pour agir en tant qu'hôte dans ce travail.

OLED blanc monocouche

Finally, we also fabricate trilayer WOLEDs with the structures of ITO/TAPC (50 nm)/CBP:FIrpic:Ir(MDQ)₂ (acac) (3:1:0.01) (30 nm)/Bphen(50 nm)/Mg:Ag (120 nm). Figure 7a shows the current density–voltage–luminance (J-V-L) characteristic of the device. It indicates that our single-EML WOLEDs possess a low turn-on voltage below 3 V. Moreover, we achieve a high current efficiency of 21 cd A ⁻¹ . Normalized EL spectra of the device in Fig. 7c show that the red intensity tends to be weakened when the bias voltage increases from 5 to 9 V. It should be attributed to that the trapping effect of the red dye molecule merely plays a major role under low bias voltage. At a practical luminance of 5840 cd m ⁻² , the CIE coordinates of devices are (0.39, 0.39), corresponding to warmish-white emission.

un Current density–voltage–luminance (J-V-L) curves of the WOLEDs. b Current efficiency–luminance–external quantum efficiency (CE-L-EQE) curves. c Normalized EL spectra of the white OLEDs. The orange arrow shows the weakened spectra versus applied voltage

Conclusions

In summary, efficient phosphorescent OLEDs have been prepared based on a simple trilayer structure (TAPC/EML/Bphen). We simplify the devices gradually via impedance spectroscopy and transient measurement. The EL performances of trilayer devices could be still comparable to the conventional devices with modification layers. Langevin recombination and trap-assisted recombination are certified to be existed in red and green phosphorescent devices by capacitance–voltage measurement. In addition, mathematical model is used to describe the TTA and TPA quenching processes, which are relevant to the two recombination types mentioned above. Based on the above analysis, we obtain the efficient WOLEDs with low roll-off. These results demonstrate an effective approach towards simplified OLED with high efficient and low cost.

Abréviations

26DCzPPy:

2,6-Bis(3-(carbazol 9,9′-[4′-(2-ethyl-1H-benzimidazol-1-yl)-9-yl) phenyl) pyridine

AML:

Anode modification layer

Bphen:

4,7-Diphenyl-1,10-phenanthroline

C:

Capacitance

CBP:

4,4′-N ,N ′-Dicarbazole-biphenyl

CE-L-EQE:

Current efficiency-luminance-external quantum efficiency

CML:

Cathode modification layer

C-V:

Capacitance–voltage

C-V-L:

Capacitance–voltage–luminance

EBL:

Electron-blocking layer

EL:

Electroluminescence

EML:

Emitting layer

EQE:

External quantum efficiency

ETL:

Electron-transporting layers

FIrpic:

Bis [(4,6-difluorophenyl)-pyridinato-N,C ² ′] (picolinato) Ir(III)

HBL:

Hole-blocking layer

HOMO:

Highest occupied molecular orbital

HTL:

Hole-transporting layers

IQE:

Internal quantum efficiency

Ir(MDQ)₂ (acac):

Iridium (III) bis-(2-methyldibenzo-[f, h] quinoxaline) (acetylacetonate)

Ir(ppy)₃ :

Tris(2-phenylpyridine) iridium;

IS:

Impedance spectroscopy

ITO:

Indium tin oxide

J-V:

Current density–voltage

J-V-L:

Current density–voltage–luminance

LUMO:

Lowest unoccupied molecular orbital

OLEDs:

Organic light-emitting devices

PEDOT:PSS:

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonate)

PHWOLEDs:

Phosphorescent white OLEDs

TAPC:

Di-[4-(N ,N -ditolyl-amino)-phenyl] cyclohexane

TCTA:

4,4′,4″-Tris (carbazol-9-yl)-triphenylamine

TmPyPB:

1,3,5-Tri(m-pyrid-3-yl-phenyl) benzene

TPA:

Triplet-polaron annihilation

TPBi:

2,2′[2″-1,3,5-Benzinetriyl)-tris(1-phenyl-1-H-benzimidazole)

TTA:

Triplet-triplet annihilation