T/CVIA 148-2024 T/DTIA 008-2024 OLED用有机材料迁移率测量方法

　　ICS 31.120

　　CCS L 47

　　团 体 标 准

　　T/CVIA 148-2024

　　T/DT IA 008-2024

　　OLED 用有机材料迁移率测量方法

　　Mobility measurement method of organic materials for organic

　　light-emitting diodes

　　2024-10-29 发布 2024-10-29 实施

　　中 国 电 子 视 像 行 业 协 会

　　国 家 新 型 显 示 技 术 创 新 中 心

　　前言

　　本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

　　请注意本文件的内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

　　本文件由中国电子视像行业协会和国家新型显示技术创新中心共同提出并归口，由新型显示产业技术创新战略联盟组织起草。

　　本文件起草单位：季华实验室、吉林省元合电子材料有限公司、华南理工大学、吉林奥来德光电材料股份有限公司、浙江华显光电科技有限公司、东莞伏安光电科技有限公司、季华恒烨(佛山)电子材料有限公司、中国电子视像行业协会、维信诺科技股份有限公司、上海天马微电子有限公司、广州新视界光电科技有限公司、国家新型显示技术创新中心。

　　本文件主要起草人：王志恒、毕海、宋小贤、王悦、陈启燊、刘宇、张军、马东阁、王磊、马晓宇、王铁、赵晓宇、彭沣、郝亚斌、冯晓曦、彭健锋、董敏、王香、熊志勇、邹建华、刘海坤、庄佳庆。

　　OLED 用有机材料迁移率测量方法

　　1 范围

　　本文件规定了用于有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)的有机材料载流子迁移率测量方法。

　　本文件适用于载流子迁移率范围在10-6～10-2 cm2/V·s 的OLED用有机材料测量，包含电子传输材料、空穴传输材料、主体材料等。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 14264-2024 半导体材料术语

　　GB/T 36919-2019 有机发光二极管照明 术语和文字符号

　　3 术语和定义

　　GB/T 36919-2019 和 GB/T 14264-2024 界定的及以下术语和定义适用于本文件

　　3.1

　　厚度差 difference of thickness

　　用于测量迁移率的两个有机发光二极管[注 1]，其待测迁移率有机层厚度的差值。

　　3.2

　　瞬态发光时间 transient luminescent time

　　用于测量迁移率的两个有机发光二极管，其瞬态发光信号上升沿处 10%强度所对应的时间。

　　3.3

　　瞬态发光时间差 difference of transient luminescent time

　　用于测量迁移率的两个有机发光二极管，其瞬态发光时间的差值。

　　3.4

　　驱动电压差 difference of driving voltage

　　用于测量迁移率的两个有机发光二极管，其电极两端驱动电压的差值。

　　[注 1] 厚度不相等的两个待测迁移率有机层分别放置于两个有机发光二极管中，两个有机发光二极管除待测迁移率有机层之外结构一致。

　　4 测试原理

　　图 1 为用于 OLED 的有机材料迁移率测量原理图

　　图 1 测量有机半导体薄膜迁移率的原理图

　　对于厚度均匀的有机半导体薄膜，有机半导体薄膜迁移率的定义为载流子在单位电场强度下的平均漂移速度，即

　　μ = d2 (1)

　　τ ×v

　　公式(1)中，

　　d 为待测迁移率的有机半导体薄膜的厚度; τ 为载流子通过有机半导体薄膜的平均时间;

　　V 为加载在有机半导体薄膜两端的电压。

　　图 2 为本文件测量有机材料迁移率的原理图

　　图 2 本文件测量有机材料迁移率的原理图

　　基于图 1 测量有机半导体薄膜迁移率的原理和定义，本测量方法是基于电致瞬态发光信号测量用于OLED 的有机材料的迁移率。通过待测迁移率的有机层在两个有机发光二极管中设置厚度差，获得对应的瞬态发光时间差和电压差，从而计算有机材料的载流子迁移率。其测试原理是设置包含待测迁移率有机材料的有机发光二极管。将厚度分别为 d1 和 d2 的待测迁移率有机层分别放置于两个除待测有机层之外结构一致的有机发光二极管(定义为器件 D1 和器件 D2)中。根据有机半导体薄膜迁移率的定义，此时，有机材料载流子迁移率的定义为单位电场强度下载流子通过待测迁移率的有机层厚度差部分的平均漂移速度，即

　　公式(2)中，

　　|d1-d2 |为待测迁移率的有机层的厚度差;

　　|τd1-τd2 |为器件 D1 和器件 D2 的瞬态发光时间差，该瞬态发光时间差代表载流子通过待测迁移率的有机层差值部分所需时间;

　　|V1-V2 |为器件 D1 和器件 D2 的驱动电压差。

　　5 测试方法

　　5.1 测试条件

　　在下列范围内的环境条件下进行测量：

　　a)环境温度：23±1 ℃;

　　b)相对湿度：25～85%;

　　c)大气压力：86～106 kPa;

　　测量瞬态发光信号时有机发光二极管需要在黑暗环境下进行，暗室条件为器件附近的环境照度应小于 0.3 lx ，避免外界光对发光信号造成干扰。

　　5.2 测试仪器

　　5.2.1 椭偏仪

　　用于测量待测迁移率的有机层以及制备的有机发光二极管各有机功能层的厚度。测量薄膜厚度的分辨率不低于 1 Å,膜厚测量误差在±1%以内。

　　5.2.2 波函数信号发生器

　　用于产生正向矩形脉冲电压信号驱动待测的有机发光二极管。产生的脉冲电压信号上升沿时间不高于 50 ns ，电压信号幅值不小于 10 V，幅值分辨率不低于 1 mV ，信号频率上限不低于 1000 Hz。

　　5.2.3 数字源测量单元

　　用于以恒定电流驱动待测的有机发光二极管，并测量器件电极两端的驱动电压。产生的恒定电流分辨率不低于 10 nA，输出恒定电流误差在±1%以内，电压量程不小于 20 V;要求测量的驱动电压分辨率不低于 4½位，测量电压误差在±1%以内。

　　5.2.4 瞬态光谱仪

　　用于采集有机发光二极管的瞬态发光信号。通过同步信号使瞬态光谱仪与波函数信号发生器保持同步。瞬态发光信号的最高时间分辨率不低于 10 ns。瞬态发光信号的信噪比不低于 103。

　　5.2.5 测试治具

　　用于放置有机发光二极管并将脉冲电压信号输入至有机发光二极管中。根据有机发光二极管的电极

　　图案和基片大小定制设计，其接触电阻以及引线电阻总和不大于 20 Ω。

　　图 3 为用于迁移率测试的瞬态发光信号采集测试仪器连接示意图。

　　标引序号说明：

　　1——波函数信号发生器; 2——器件测试治具;

　　3——瞬态光谱仪;

　　4——光谱仪控制系统。

　　图 3 用于迁移率测试的瞬态发光信号采集测试仪器连接示意图

　　5.3 测试样品

　　5.3.1 样品设计

　　设计用于迁移率测量的有机发光二极管 D1 和 D2，其结构依次为阳极、空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、发光层、空穴阻挡层、电子传输层、电子注入层、阴极。当测量空穴迁移率时，待测薄膜放置于空穴传输层;当测量电子迁移率时，待测薄膜放置于电子传输层。其中，器件 D1 和 D2 中待测迁移率的有机材料薄膜厚度分别为 d1 和 d2，且 d1 不等于 d2 。除待测的有机电致发光材料薄膜厚度存在差异外，两个有机发光二极管的其余有机功能层和电极结构保持一致。

　　待测迁移率的有机材料薄膜的厚度推荐范围是 50～300 nm，且厚度差推荐范围是 50～200 nm。发

　　光层厚度为 5 nm(误差应不大于 10%)。

　　a)当测量电子迁移率时，需要注入器件的空穴先到达发光层而等待电子注入发光层。电子阻挡层的厚度是 10 nm(误差应不大于 10%)，其空穴迁移率应不小于 10-3 cm2/V·s。空穴传输层和空穴注入层的空穴迁移率应不小于 10-2 cm2/V·s ，两者总厚度为 60 nm(误差应不大于 5%)。空穴阻挡层的厚度推荐范围是 50～100 nm，其电子迁移率应不大于 10-4 cm2/V·s;

　　b)当测量空穴迁移率时，需要注入器件的电子先到达发光层而等待空穴注入发光层，此时空穴阻挡层的厚度是 10 nm(厚度误差应不大于 10%)，其空穴迁移率应不大于 10-3 cm2/V·s ，电子传输层和电子注入层电子迁移率应不小于 10-2 cm2/V·s ，两者总厚度为 30 nm(厚度误差应不大于 5%)，电子阻挡层的厚度推荐范围是 200～400 nm。

　　5.3.2 样品制备

　　根据 5.3.1 设计的器件 D1 和器件 D2 进行器件制备，制备器件所需的基板应预先进行清洗(例如采用异丙醇、丙酮、去离子水清洗)以去除基板表面的灰尘与杂质。随后对基板烘干处理(例如 80℃烘烤 3 小时)以去除基板表面残余的溶剂和水分。采用紫外灯照射对基板进行预处理，随后转移至真空蒸镀腔室制备包括有待测迁移率薄膜的有机发光二极管。

　　5.3.3 样品测试条件

　　用于测量迁移率的有机发光二极管漏电流的电流密度不高于 10-4 mA/cm2，避免由于漏电流导致瞬态发光信号时间和信号强度发生波动。

　　5.4 测试步骤

　　5.4.1 器件瞬态发光信号采集

　　采集器件 D1 和器件 D2 的驱动电压、瞬态发光时间步骤如下：

　　a)采用相同电流密度驱动器件 D1 和器件 D2，用数字源测量单元测量器件两端的驱动电压分别为V1 和 V2;

　　b)使用波函数信号发生器分别在器件 D1 和器件 D2 加载高电平为 V1 和 V2，低电平为零的方波脉冲电压信号。观察瞬态发光信号上升至平稳状态所需时间T，脉冲电压信号的高电平脉冲宽度设定不小于时间 T ，脉冲宽度推荐范围是 10～2000 μs，频率设定不大于 1/2T，频率推荐范围是 10～1000 Hz。

　　c)采用瞬态光谱仪分别测量器件 D1 和器件 D2 的瞬态发光信号，获得器件瞬态发光时间 τd1 和 τd2。

　　5.4.2 不同电场强度的瞬态发光信号采集

　　通过设定不同组的电流密度 Jn(其中 n 为正整数)驱动两个有机发光二极管 D1 和器件 D2，根据

　　5.4.1 中的步骤测量不同电流密度下的器件瞬态发光时间 τd1n 和 τd2n。

　　5.5 结果计算

　　根据器件 D1 和器件 D2 在电流密度 Jn 驱动时的瞬态发光时间 τd1n 和 τd2n，其中 n 为正整数，按公式(3)计算得到器件 D1 和器件 D2 瞬态发光时间差Δτn，

　　Δτn = τd1n __ τd2n (3)

　　根据器件 D1 和器件 D2 在电流密度 Jn 驱动时的驱动电压 V1n 和 V2n，以及待测有机材料薄膜的厚度d1 和 d2 ，按公式(4)计算得到待测有机材料薄膜差值部分的电场强度 En，

　　En (4)

　　设定不同组的电流密度 J1、J2...Jn，器件 D1 和器件 D2 相应的驱动电压为 V11 和 V21 、V12 和 V22... V1n和 V2n，计算得到电场强度分别为 E1 、E2...En ，其中 n 为正整数。

　　根据器件 D1 和器件 D2 在电流密度 Jn 驱动时器件两端的驱动电压 V1n 和 V2n ，按公式(5)计算得到待测有机材料薄膜差值部分两端的电压ΔVn，

　　ΔVn =V1n __ V2n (5)

　　根据器件 D1 和器件 D2 中待测有机材料薄膜的厚度 d1 和 d2 ，按公式(6)计算得到待测有机材料薄膜差值部分的厚度Δd，

　　Δd =d1n __ d2n (6)

　　根据有机材料迁移率的定义公式，即

　　根据设定的不同电场强度 E1 、E2...En 下的迁移率 μ1、μ2...μn，其中 n 为正整数。

　　6 测试报告

　　测试报告应包括以下内容：

　　1)样品编号及测量项目

　　2)样品器件结构(包含器件各膜层使用的材料以及对应的厚度)

　　3)测量仪器

　　4)厚度差

　　5)不同电场强度下的瞬态发光时间和瞬态发光时间差

　　6)不同电场强度下的驱动电压和电压差

　　7)不同电场强度下的迁移率

　　8)测试者

　　9)测试日期

　　附录 A

　　(资料性)

　　迁移率测试示例

　　A.1 样品编号及测量项目

　　示例1测量有机材料A的电子迁移率;

　　示例2测量有机材料B的空穴迁移率。

　　A.2 样品器件结构及厚度差

　　示例 1：测量有机材料 A 的器件 D11 和 D21，器件 D11 的结构为 ITO (95 nm)/3% HI:HT (60nm)/EB (10 nm)/3% RD:RH (5 nm)/HB (50 nm)/有机材料 A (50 nm)/0.6% Ag:ET (10 nm)/Al (100 nm)，器件 D21的结构为 ITO (95 nm)/3% HI:HT (60 nm)/EB (10 nm)/3% RD:RH (5 nm)/HB (50 nm)/有机材料 A (150 nm)/0.6% Ag:ET (10 nm)/Al (100 nm)。计算得到有机材料 A 的厚度差Δd1 为 100 nm。

　　示例 2 ：测量有机材料 B 的器件 D12 和 D22 ，器件 D12 的结构为 ITO (95 nm)/3% HI:HT (10 nm)/有机材料 B (100 nm)/EB (200 nm)/3% RD:RH (5 nm)/HB (10 nm)/0.6% Ag:ET (30 nm)/Al (100 nm) ，器件D22 的结构为 ITO (95 nm)/3% HI:HT (10 nm)/有机材料 B (300 nm)/EB (200 nm)/3% RD:RH (5 nm)/HB (10 nm)/0.6% Ag:ET (30 nm)/Al (100 nm)。计算得到有机材料 B 厚度差Δd4 为 200 nm。

　　示例1和示例2测量迁移率的器件所涉及的化合物HI、HT 、EB 、RD 、RH 、HB 、ET 、有机材料A和有机材料B的化学结构如图A.1。

　　HI HT

　　EB RD

　　RH EB

　　ET 有机材料A

　　有机材料B

　　图A.1 化合物HI、HT 、EB 、RD 、RH 、HB 、ET 、有机材料A和有机材料B的化学结构

　　A.3 测量仪器

　　分别使用Tektronix AFG31052波函数信号发生器和Keithley 2400数字源测量单元产生脉冲信号和测量器件电极两端的电压，采用爱丁堡FLS1000瞬态光谱仪测量瞬态发光信号。

　　A.4 不同电场强度下的驱动电压及电压差

　　器件 D11 和 D21、器件 D12 和 D22 不同电场强度下的驱动电压及电压差分别如表 A.1 和表 A.2 所示。

　　表 A.1 器件 D11 和 D21 不同电场强度下的驱动电压及电压差

　　表 A.2 器件 D12 和 D22 不同电场强度下的驱动电压及电压差

　　A.5 不同电场强度下的瞬态发光时间和瞬态发光时间差

　　器件 D11 和 D21 、器件 D12 和 D22 不同电场强度下的瞬态发光时间以及时间差分别如表 A.3 和表A.4 所示。图 A.2 为器件 D11 和 D21 在 54600 V/cm 电场强度下的归一化瞬态发光特性以及时间差Δτ1取值

　　表 A.3 器件 D11 和 D21 不同电场强度下的瞬态发光时间以及时间差

　　图 A.2 器件 D11 和 D21 在 54600 V/cm 电场强度下的归一化瞬态发光信号上升沿特性和时间差Δτ1 取值

　　A.6 不同电场强度下的迁移率

　　有机材料A在不同电场强度下的电子迁移率以及有机材料B在不同电场强度下的空穴迁移率分别如表A.5和表A.6所示。如图A.3所示，有机材料A在16900～100400 V/cm电场强度范围的电子迁移率范围是6. 15×10-5～3.28×10-4 cm2/V·s，有机材料B在20400～142700 V/cm电场强度范围的空穴迁移率范围是7. 10×10-4～2.05×10-3 cm2/V·s，其迁移率随电场强度变化特性如图A.3。

　　表 A.5 有机材料 A 在不同电场强度下的电子迁移率

　　10-2

　　10-3

　　10-4

　　10-5

　　0 50000 100000 150000

　　电场强度 (V/cm)

　　图 A.3 有机材料 A 在不同电场强度下的电子迁移率以及有机材料 B 在不同电场强度下的空穴迁移率