能量過濾磁控濺射技術室溫制備ITO膜的光電特性及其應用

2015-03-31 張清清鄭州大學物理工程學院材料物理教育部重點實驗室

　　利用在直流反應磁控濺射(DMS) 技術基礎上改進的能量過濾磁控濺射( EFMS) 技術制備了ITO薄膜，并將其應用于頂發射有機電致發光器件(TOLED) 的陽極。利用X 射線衍射、原子力顯微鏡、橢圓偏振光譜儀和四探針方塊電阻測試儀分析了薄膜的結構、表面形貌、光學和電學特性，利用自搭建的電壓-電流密度-發光效率測試系統測量了TOLED 器件的發光效率。結果表明，與DMS 技術相比，EFMS 技術可有效抑制對有機功能層的濺射損傷，制備的ITO 薄膜表面更平整，晶粒尺寸更細小，而且具有優良的光學和電學性能( 400 ～800 nm 波長范圍的平均透射率為87.1%；方塊電阻低至4. 56 ×10^-4 Ω·cm) 。以該薄膜為陽極的TOLED 器件的發光效率顯著提高，在3. 26 mA/cm²的電流密度下發光效率達到0.09 lm/W。

　　近年來，有機發光顯示( Organic Electro Luminescence Display) 作為新一代顯示技術，以其高效率、快響應、寬視角、厚度薄以及成本低廉等特點，在國內外被廣泛深入地研究，具有廣闊的市場應用前景。頂發射結構有機電致發光器件(TOLED) 有高的光效、好的色純度、大的開口率以及方便在芯片上集成驅動電路等優點，成為目前有機發光顯示的重點研究對象。ITO 薄膜具備高透過率、低電阻率和高功函數等特點，是TOLED 器件陽極的最佳選擇材料，也是影響TOLED 器件性能的關鍵因素之一。

　　TOLED 器件的ITO 陽極通常采用直流反應磁控濺射(DMS) 或電子束蒸發技術制備，薄膜濺射沉積過程中高能粒子的轟擊會對已制備的有機功能層產生濺射損傷，會降低TOLED器件的發光亮度、效率，乃至器件壽命。為減少對有機功能層的濺射損傷，有研究者在有機層與ITO陽極之間加入Mg-Ag，Cu-Pc，PTCDA 等緩沖層試圖對有機層起到保護作用，但結果表明這并不能完全消除對有機層的濺射損傷，緩沖層的加入同時還降低了TOLED器件的透光率。因此，制備高質量、無損傷的ITO陽極成為TOLED器件研究的重點之一。

　　本課題組自主研發的能量過濾磁控濺射(EFMS) 技術可有效抑制濺射過程中高能粒子對襯底的濺射損傷，并且制備的薄膜表面更平整，晶粒尺寸更細小。本文利用該技術制備了TOLED器件的ITO陽極，研究了ITO薄膜的結構、光學和電學性能，測試了TOLED的發光效率并與DMS技術制備的器件作了對比。

　　1、實驗方法

　　1.1、器件結構

　　TOLED 器件的結構如圖1 所示。1 mm 厚的K9玻璃基底上依次為陰極(Al) 、電子傳輸層及發光層( tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum，Alq3) 、空穴傳輸層(N，N'-diphenyl-N，N'-bis( 3-methyllphenyl) -(1，1'bipheny1) -4，4'-diamine，TPD) 和ITO陽極。

TOLED 結構圖

圖1 TOLED 結構圖

　　1.2、器件制備

　　玻璃基底首先在40g/l 的KMnO4溶液中浸泡4 h 以去除表面油污，去離子水沖洗后依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，清洗時間均為15 min，爾后烘干備用。基于實驗室工作的基礎，在CS-450 真空蒸發蒸鍍系統中，按照圖1 各功能層順序依次制備了100 nm Al、50 nm Alq3和45 nm TPD 的膜層，薄膜的厚度用在線膜厚監控儀監控。蒸鍍TPD 膜層結束后，器件被迅速移至CS-300 濺射鍍膜系統中制備ITO薄膜。

　　在濺射過程中，等離子體中除了沉積粒子In3 +、Sn4 +、In2O3、SnO2外，還有O2 -、O -、二次電子等負離子，這些高能負離子和電子會對襯底及其上已沉積的薄膜產生濺射損傷。為避免這種作用，對DMS技術進行改進，改進后的EFMS 技術真空室內部結構如圖2 所示。在靶和襯底之間靠近襯底一側且平行于襯底處加一過濾電極， ITO靶陰極與襯底支架陽極間距為70 mm，過濾電極距襯底支架表面6mm。過濾電極為100 μm 厚的不銹鋼金屬網，網孔尺寸為0.238mm²，孔隙率為55%。

EFMS真空室結構示意圖