鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 谷洪亮

zns:Mn納米顆粒在電致發(fā)光器件中應(yīng)用的研究

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 谷洪亮

將合成的ZnS：Mn納米顆粒摻在有機(jī)大分子PVK中，共同作為發(fā)光層，制備了多層的電致發(fā)光器件。通過(guò)比較摻雜ZnS:Mn與未摻雜的OLED的電致發(fā)光光譜、電流密度-電壓曲線、亮度-電壓曲線等特性，研究了器件性能提高的機(jī)理。

ZnS:Mn納米顆粒；電壓曲線；電致發(fā)光器件

1.引言

1994年，V.L.Colvin等人利用納米材料的量子尺寸效應(yīng)，首次將無(wú)機(jī)納米微粒CdSe與聚合物PPV相結(jié)合制成雙層發(fā)光器件，成功地通過(guò)控制納米顆粒尺寸來(lái)調(diào)節(jié)器件的發(fā)光波長(zhǎng)[1]。隨后，Kumar等利用旋涂(spin coating)的方法將CdS涂在PPV表面上，制成了ITO/PPV/CdS/Al發(fā)光二極管。S.Y Liu小組將ZnS納米晶與TPB混合制備單層發(fā)光器件，發(fā)光中心由二者相互作用產(chǎn)生。M.Y.Gao等人利用納米級(jí)的CdTe為發(fā)光層，PDDA為空穴傳輸層，獲得顏色可調(diào)的電致發(fā)光器件。因此，越來(lái)越多的研究者都把目光集中在了有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合電致發(fā)光器件性能方面上的研究。

2.器件制備與結(jié)構(gòu)

器件的制備過(guò)程為：

首先用丙酮、酒精、去離子水將ITO導(dǎo)電玻璃清洗干凈。PEDT:PSS[poly(3,4-ethyl enedioxythiophene):poly(styrenesulphona te)]層通過(guò)旋涂的方法制備的，旋涂時(shí)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，然后在120℃的真空條件下烘20分鐘。PVK(聚乙烯基咔唑)和ZnS:Mn是用旋涂的方法制備的。BCP(2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲羅啉)和Al是用熱蒸發(fā)制備的。電致發(fā)光光譜是用CCD測(cè)試的，電壓-電流曲線是用Keithley source meter 2410測(cè)試的。所有測(cè)試均在大氣、常溫下進(jìn)行。

在我合成的ZnS:Mn[3]半導(dǎo)體納米顆粒中，ZnS:Mn(1%)發(fā)出600nm桔黃色光最強(qiáng)，在PVK中我摻雜的是ZnS:Mn(1%)。BCP作為空穴傳輸層，一些文獻(xiàn)報(bào)道：BCP的最佳厚度是在5nm-15nm，小于5nm時(shí)，BCP起不到空穴阻擋的作用，大于15nm時(shí)，BCP完全阻擋了空穴的傳輸，所以我選擇了10nm.

我制作了如下兩個(gè)器件：

(a)ITO/PEDT:PSS(50nm)/PVK(70nm)/BCP(10nm)/Al

(b)ITO/PEDT:PSS(50nm)/PVK(ZnS(1%))/BCP(10nm)/Al

3.結(jié)果與討論

3.1 電致發(fā)光光譜

圖1 PVK和PVK(ZnS:Mn(1%))的電致發(fā)光光譜

圖1為PVK和PVK(ZnS:Mn(1%))的電致發(fā)光光譜，從圖上可以看出：PVK電致發(fā)光的發(fā)射光譜峰位于410-420nm,摻雜半導(dǎo)體納米顆粒ZnS:Mn的PVK，不僅在410-420nm有發(fā)光峰，而且在接近600nm處也有發(fā)光峰。從ZnS:Mn(1%)光致發(fā)光光譜分析，該處600nm的應(yīng)該是ZnS:Mn(1%)的Mn2+3d中4T1-6A1的躍遷。

圖2為歸一化后的不同電壓下的PVK(ZnS:Mn(1%))的電致發(fā)光光譜，從此圖上可看到，隨著電壓的增大，600nm左右的錳離子的發(fā)光相對(duì)強(qiáng)度隨著電壓的增加，先增加，后降低。因?yàn)槠骷l(fā)光衰減的原因。

圖2 不同電壓下的PVK(ZnS:Mn(1%))的電致發(fā)光光譜

3.2 器件的電流密度-電壓關(guān)系曲線

圖3.3畫(huà)出了對(duì)數(shù)坐標(biāo)下器件的電流密度-電壓(J-V)關(guān)系曲線，曲線分四段：

(a)產(chǎn)生-復(fù)合電流區(qū)；

(b)擴(kuò)散電流區(qū)；

(c)大注入?yún)^(qū)；

(d)串聯(lián)電阻效應(yīng)。

從(a)段看出電流的閥值電壓在4.3V,這顯示空穴的注入勢(shì)壘比較大。根據(jù)能級(jí)圖分析如此高的閥電壓來(lái)自于PVK的HOMO能級(jí)位置比較低，空穴注入勢(shì)壘和器件的內(nèi)建電勢(shì)差共同決定電流閥值電壓。ZnS:Mn納米顆粒的加入并沒(méi)有顯著影響，I-V關(guān)系曲線。

圖3 器件的電流密度-電壓關(guān)系曲線

3.3 器件的亮度-電壓關(guān)系曲線

圖4為PVK和PVK(ZnS:Mn(1%))的亮度-電壓曲線，從圖4上分析，加入ZnS:Mn與未加入ZnS:Mn的PVK有機(jī)發(fā)光器件比較來(lái)看,亮度有明顯的提高，原因是作為磁性材料的ZnS:Mn[2]在傳輸電子時(shí)，使單線態(tài)概率增大，所以發(fā)光強(qiáng)度能加。

3.4 器件的發(fā)光效率-電壓曲線

圖5為器件的發(fā)光效率-電壓(ηL-V)曲線圖，由圖可知，加入ZnS:Mn與未加入ZnS:Mn的PVK有機(jī)發(fā)光器件比較來(lái)看，效率提高了很多。

圖4 PVK和PVK(ZnS:Mn(1%))的亮度-電壓曲線

圖5 器件的發(fā)光效率-電壓曲線圖

我們制備的器件發(fā)光的閥值電壓接近9V，閥值電壓比較高，顯示電子注入勢(shì)壘比較高。從鋁電極到BCP 的勢(shì)壘是1.1ev，從BCP到PVK的勢(shì)壘是0.7ev。這兩個(gè)勢(shì)壘決定電子注入效率不高。

4.結(jié)論

通過(guò)加入ZnS:Mn與未加入ZnS:Mn的PVK有機(jī)發(fā)光器件的比較，得到了電流密度幾乎沒(méi)有減小，亮度和效率有所提高的器件。分析器件原因，是因?yàn)榇判园雽?dǎo)體納米顆粒ZnS:Mn的引入，提高到了電子單線態(tài)的概率，從而提高了器件的亮度和效率。

[1]V.L.Colvin,M.C.Schlamp,A P.Alivisatos.Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting.Polymer[J].Nature,1994,370:354-357.

[2]谷洪亮,張新國(guó).ZnS:Mn納米顆粒的制備及性能的研究[J].科技視界,2014(1).