The Quantum Efficiency Roll-off–free Red Organic Light-emitting Diode via Quantum Well Structure

Abstract

У роботі описано технологію виготовлення червоних органічних світлодіодів (OLED) на основі структури квантових ям (MQW). Метою дослідження було розробити OLED із застосуванням MQW для запобігання спаду квантової ефективності приладу при високих робочих напругах, що характерно для традиційних OLED, що використовують леговані системи типу "господар-гість". Для цього було виготовлено два типи OLED: з легуючою системою «господар-гість» і структурою MQW, відповідно. У дослідженні порівнювали електричні характеристики обох приладів, приділяючи особливу увагу квантовій ефективності. Для створення нової структури був використаний вузькозонний помаранчевий органічний емітер з термічно активованим уповільненим флуоресцентним випромінюванням (TADF) 2,3,5,6-тетракіс(3,6-дифеніл-9Н-карбазол-9-іл)-1,4-бензолдикарбонітрил (4CzTPN-Ph), розміщений між двома шарами широкозонного напівпровідника mCBP, що дозволило створити квазідвовимірну гетероструктуру (2D). Завдяки впровадженню структури MQW вдалося суттєво знизити спад квантової ефективності при підвищенні напруги, що є значною перевагою в порівнянні з традиційними OLED, де такий спад часто призводить до погіршення продуктивності та зменшення терміну служби приладів. Результати дослідження показали, що OLED зі структурою квантових ям демонструє яскравість, що перевищує 600 кд/м², а також стабільну квантову ефективність протягом усього робочого діапазону напруг. На відміну від традиційних OLED, де леговані системи зазвичай стикаються з проблемою нерівномірного розподілу заряду та енергії, структура квантових ям сприяє кращому утриманню екситонів і ефективнішому їх використанню, що підвищує стабільність приладів. Крім того, використання структури MQW дозволило покращити колірні характеристики OLED, зробивши їх більш насиченими та точними, що важливо для комерційних застосувань, таких як дисплеї та системи освітлення.

Technology for fabricating red organic light-emitting diodes (OLEDs) based on a multiple quantum well (MQW) structure is considered. The study aimed to develop an OLED using the MQW structure to prevent the quantum efficiency roll-off at high operating voltages, a common issue in traditional OLEDs that use doped host-guest systems. Two OLED types were fabricated to achieve this: one with a doped host-guest system and another with an MQW structure. The electrical characteristics of both devices were compared in this research, focusing on quantum efficiency. A narrow-band orange organic emitter with thermally activated delayed fluorescence emission (TADF) 2,3,5,6-tetrakis(3,6-diphenyl-9H-carbazol-9-yl)- 1,4-benzenedicarbonitrile (4CzTPN-Ph) was used for the new structure, sandwiched between two layers of wide-band semiconductor mCBP, creating a quasi-two-dimensional (2D) heterostructure. Implementing the MQW structure significantly reduced the quantum efficiency roll-off at higher voltages, offering a major advantage over traditional OLEDs, where such roll-off often leads to performance reduction and shortened device lifetimes. The results showed that the OLED with the MQW structure demonstrated a brightness exceeding 600 cd/m², and stable quantum efficiency across the entire operating voltage range. Unlike traditional OLEDs, where doped systems often face challenges with uneven charge and energy distribution, the MQW structure enables better exciton confinement and more efficient utilization, thus improving device stability. Furthermore, using the MQW structure allowed for enhancement of the colour characteristics of OLEDs, making them more saturated and accurate, which is important for commercial applications such as displays and lighting systems.