n-型摻雜電子傳輸層之全磷光系統白光PLED

第三部分之雙波段白光元件有別於上述兩部分白光二極體之元件結 構，在此部分以一n型摻雜之水溶性高分子電子傳輸材料來替代傳統使用之 小分子電子傳輸材料，並微調元件之陰極材料；此目的在於解決上述兩個 白光元件系統中因元件驅動電壓偏高而導致發光功率效率低下之問題。在 此元件中如scheme 3 所示，其發光層之藍色放光波段由一天藍色磷光材料 FIrpic所貢獻，並搭配一高效率橘紅色磷光材料Os(bpftz)來製備雙波段白光 電 激 發 光 元 件 。 此 元 件 以 PEDOT 作 為 電 洞 注 入 與 傳 輸 層 ， 1,3-bis[(4-tert-butylphenyl)-1,3,4-oxidiazolyl]phenylene (OXD-7)作為發光層 之輔助電子傳輸材料，而電子注入層則由已摻雜Li₂CO₃之高分子材料 PFN-OOH 所 構 成 ； 元 件 結 構 如 下 所 示 ： ITO/PEDOT(35 nm)/Polymer blend(50-70 nm) /Li₂CO₃-doped PFN-OOH (20 nm)/Ba(4 nm)/Al (100 nm)。其 中 發 光 層 (Polymer Blend) 由 7 wt% FIrpic 、 0.25 wt% Os(bpftz) 與 PVK:OXD-7(7:3)所構成。

Scheme 3 n-型摻雜電子傳輸層之全磷光系統白光元件結構及材料結構

在小分子電激發光元件中，利用p-型摻雜之電洞傳輸材料與n-型摻雜之

時，白光元件forward viewing的發光效率與發光功率效率分別可達 36.1 cd/A 與23.4 lm/W，相較於未摻雜之元件效率(23.7 cd/A 與12.9 lm/W)有極

於整個元件電子傳輸特性的影響，首先量測該系列元件在模擬日光光源下 之光電流特性，從圖B-22中可發現，摻雜前後元件之開路電壓(open circuit voltage)並無明顯變化，由此可以證實摻雜後之元件驅動電壓下降並非來自

因而使電洞阻擋(hole blocking)效果變得較為明顯³⁹。雖然摻雜後元件的電洞 阻擋能力增加，然而可能也因此讓整個元件中電子電洞在發光層的再結合 率增加進而提升元件之效率。圖B-26為電子傳輸層之Li₂CO₃摻雜濃度為15%

時之元件電激發光圖譜(EL)，從圖中可發現此類n型摻雜之白光元件具有良

好的光譜穩定性，當元件之操作電壓從8 V改變到14 V時，其電激發光光譜 並無明顯變化，且其色度座標皆位於標準白光範圍內。

0.1 1 10

10 100

Luminance Efficiency (Cd/A)

0.01 0.1 1 10 Li2CO3-doped (15%) 100 Li2CO3-doped (5%) Non-doped

Power Efficiency (lm/W)

Current Density (mA/cm²)

圖 B-20. 白光元件之發光效率與發光功率效率對電流密度作圖

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

100 1000 10000

Current Density (mA/cm2 )

Voltage (V)

-1 0 1 2 3 4

Cur re n t Densi ty ( m A/ cm

)

B-22. 白光元件之光電流特性

2.0x10⁵ 2.5x10⁵ 3.0x10⁵ 3.5x10⁵ 4.0x10⁵ 10^-4

10^-3 10^-2 10^-1

ITO/Al/PVK:OXD7/PFN-OOHl:Li₂CO₃(x %)/Ba/Al

C u rre n t D e n s it y (A /c m

)

Electric field (V/cm)

nondoped 5%-doped 15%-doped

B-23. 電子主導元件之電流特性對電場作圖

9.6x10⁵ 1.0x10⁶ 1.1x10⁶ 1.2x10⁶ 1E-3

0.01 0.1

ITO/PEDOT/PVK:OXD7/PFN-OOH:Li₂CO₃(x %)/Au

nondoped 5% Li

2CO

3-doped 15% Li

2CO

3-doped

Electric field (V/cm) C u rre n t D e n s ity (A /cm

)

B-24. 電洞主導元件之電流特性對電場作圖

B-25. 不同摻雜濃度下電子傳輸層之 AFM 圖譜.(a) non-doped ETL (b) Li₂CO₃(5%)-doped ETL (c) Li₂CO₃(15%)-doped ETL

400 500 600 700 800

EL Intensity (a.u.)

8 V, CIE (0.38, 0.38)

Device Non-doped PF-OH

第四章 結論

在白光論文之第一部分我們成功製備了一同時具有高效率與高光色穩 定性的高分子白光電激發磷光元件；此元件中藍光波段由一高效率螢光分 子 DPAVBi 所構成，橘紅光波段則由一高效率磷光分子 Os(bpftz)所構成。

此元件之CIE 座標為(0.33, 0.34)，非常趨近於標準白光 CIE 座標(0.33, 0.33，

且其元件效率可達6.12 %與 13.2 cd/A。即使元件亮度超過 10000 cd/m²其 CIE 座標僅從(0.33, 0.34)偏移至(0.33, 0.32)。而在白光論文的第二部分中，

為了進一步提升白光元件之效率，我們以一高效率藍光磷光發光材料FIrpic 光電激發白光元件；在此元件結構下白光元件之total viewing 發光功率效率 可達40 lm/W，有效解決上述兩個部分白光元件系統中發光功率效率不佳的 問題。藉由 n 型摻雜之電子傳輸材料的導入，不僅提升白光元件中發光層 之電子電洞再結合率，亦有效降低元件之驅動電壓使得元件之發光功率效 率得到最大之提升。此外，我們亦藉由電子或電洞主導之元件結構來探討 該n 型摻雜系列元件中之電子與電洞行為，並藉由 AFM 探討電子傳輸層表

面形態來進一步驗證電子電洞在元件中之行為模式。最後，此白光元件具 有簡易之元件結構與低廉的製造成本，因此對於商業化照明的應用上極具 潛力。

參考文獻

1. Klessinger, M.; Michl, J. Excited States and Photochemistry of Organic

Molecules; VCH: New York, 1995.

2. Kido, J.; Kimura, M.; Nagai, K. Science 1995, 267, 1332.

3. Tasch, S.; List, E. J. W.; Ekström, O.; Graupner, W.; Leising, G.; Schlichting, P.; Rohr, U.; Geerts, Y.; Scherf, U.; Müllen, K. Appl. Phys. Lett. 1997, 71, 2883.

4. Li, J. Y.; Liu, D.; Ma, C. W.; Lengyel, O.; Lee, C. S.; Tung, C. H.; Lee, S.

Adv. Mater. 2004, 16, 1538.

5. Chuen, C. H.; Tao, Y. T.; Wu, F. I.; Shu, C. F.

Appl. Phys. Lett. 2004, 85,

6. Liu, T. H.; Wu, Y. S.; Lee, M. T.; Chen, H. H.; Liao, C. H.; Chen, C. H.

Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 4304.

7. Wu, Y. S.; Hwang, S. W.; Chen, H. H.; Lee, M. T.; Shen, W. J.; Chen, C. H.

Thin Solid Films 2005, 488, 265.

8. Shih, P. I.; Chuang, C. Y.; Chien, C. H.; Diau, E. W. G.; Shu, C. F. Adv.

Funct. Mater. 2007, 17, 3141.

9. D’Andrade, B. W.; Forrest, S. R. Adv. Mater. 2004, 16, 1585.

10. D’Andrade, B. W.; Holmes, R. J.; Forrest, S. R. Adv. Mater. 2004, 16, 624.

11. Tokito, S.; Iijima, T.; Tsuzuki, T.; Sato, F. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 2459.

12. Adamovich, A.; Brooks, J.; Tamayo, A.; Alexander, A. M.; Djurovich, P. I.;

Thompson, M. E.; Adachi, C.; D’Andrade, B. W.; Forrest, S. R. New J.

Chem. 2002, 26, 1171.

13. D’Andrade, B. W.; Thompson, M. E.; Forrest, S. R. Adv. Mater. 2002, 14, 147.

14. Kim, J. H.; Herguth, P.; Kang, M. S.; Jen, A. K. Y.; Tseng, Y. H.; Shu, C. F.

Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1116.

15. Hou, Q.; Xu, Y.; Yang, W.; Yuan, M.; Peng, J.; Cao, Y. J. Mater. Chem. 2002,

12, 2887.

16. Yang, R.; Tian, R.; Yan, J.; Zhang, Y.; Yang, J.; Hou, Q.; Yang, W.; Zhang, C.; Cao, Y. Macromolecules 2005, 38, 244.

17. Su, H. J.; Wu, F. I.; Tseng, Y. H.; Shu, C. F. Adv. Funct. Mater. 2005, 15,

7041.

21. Su, H. J.; Wu, F. I.; Shu, C. F.; Tung, Y. L.; Chi, Y.; Lee, G. H. J. Polym. Sci.

Part A: Polym. Chem. 2005, 43, 859.

22. Zhen, H.; Luo, C.; Yang, W.; Song, W.; Du, B.; Jiang, J.; Jiang, C.; Zhang, Y.; Cao, Y. Macromolecules 2006, 39, 1693.

23. Tokito, S.; Suzuki, M.; Sato, F.; Kamachi, M.; Shirane, K. Org. Electron.

2003, 4, 105.

Funct. Mater. 2007, 17, 1085.

27. Hosokawa, C.; Tokailin, H.; Higashi, H.; Kusumoto, T. J. Appl. Phys. 1995,

78, 5831.

28. Kido, J.; Hongawa, K.; Okuyama, K.; Nagai, K. Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 2627.

29. Yang, X.; Neher, D.; Hertel, D.; Däubler, T. K. Adv. Mater. 2004, 16, 161.

30. Tung, Y. L. Ph.D. Thesis, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan

2005.

31. Chen, F. C.; Chang, S. C.; He, G.; Pyo, S.; Yang, Y.; Kurotaki, M.; Kido, J. J.

Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. 2003, 41, 2681.

32. Noh, Y. Y.; Lee, C. L.; Kim, J. J.; Yase, K. J. Chem. Phys. 2003, 118, 2853.

33. Attar, H. A. A.; Monkman, A. P.; Tavasli, M.; Bettington, S.; Bryce, M. R.

Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 121101.

34. Tung, Y. L.; Wu, P. C.; Liu, C. S.; Chi, Y.; Yu, J. K.; Hu, Y. H.; Chou, P. T.;

Peng, S. M.; Lee, G. H.; Tao, Y.; Carty, A. J.; Shu, C. F.; Wu, F. I.

Organometallics 2004, 23, 3745.

35. Yang, X. H.; Jaiser, F.; Klinger, S.; Neher, D. Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 021107.

36. Walzer, K.; Maennig, B.; Pfeiffer. M.; Leo, K. Chem. Rev. 2007, 107, 1233.

37. Yang, X.; Müller. D. C.; Neher, D.; Meerholz, K. Adv. Mater. 2006, 18, 948.

38. Huang, F.; Niu, Y. H.; Zhang, Y.; Ka, J. W.; Liu, M. S.; Jen, A. K. Y. Adv.

Mater. 2007, 19, 2010.

39. Zhang, Y.; Huang, F.; Chi, Y.; Jen, A. K. Y. Adv. Mater. 2008, 20, 1565.