微腔效應下有機LED器件光譜調節機制

陳欣平 厲強 陳亮

摘 要：通過實驗我們制備了基于Alq3的頂發射型微腔器件，通過優化兩端電極結構，得到頂發射器件的電致發光譜的半峰寬降低到40nm，與基于Alq3的傳統底發射器件相比窄化了68nm。為了進一步提高器件效率，論文針對于綠光有機LED器件，還提出了相應的有效腔長和發光層距離低端電極的距離。

關鍵詞：頂發射；有機電致發光；微腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.116

0 前言

由于微腔效應，因頂發射有機電致發光器件中電致發光的發光材料所發射光譜受到調制。為此，當發光材料的EL譜與微腔諧振波長相匹配時，其自發輻射得到增強，如果EL譜峰值波長與微腔的諧振波長不相匹配，則發光材料的自發輻射受到抑制，導致效率較低。不管怎么樣，微腔結構在頂發射型有機電致發光器件中具有重要影響。為此，器件結構設計需要考慮到微腔效應。目前在頂發射有機微腔電致發光器件中，一般具有兩種形式的微腔結構。一種微腔結構中反射鏡是由兩個金屬鏡面構成，一個是全反射鏡，一個是半透明的半反射鏡。另一種結構是以周期性的四分之一波長堆疊構成布喇格反射鏡（DBR）來作為半反射鏡，金屬作為全反射鏡。本論文針對基于雙金屬電極構成的FB微腔結構有機LED器件光譜優化進行了研究，為器件制備獲得高質量出射光譜提供借鑒思路。

1 實驗

本文所制備的頂發射器件，頂部光出射端采用用半透明的金屬陰極LiF（1nm）/Al（1nm）/（Ag20nm）作為半反射鏡，底部全反射電極采用100nm厚的Ag。發光層在上下兩個鏡面間，器件總厚度為110nm處于波長量級。器件的結構如圖1所示。其中，NPB作為器件中空穴傳輸層和電子阻擋層，Alq為電子傳輸層，m-MTDATA作為空穴注入層提高Ag電極的載流子注入效率。硅片表面生長10nmSiO2層作為絕緣層，樣品在制備金屬電極之前按照標準清洗工藝進行清洗，然后金屬蒸發室內生長70nm的銀作低端陽極。生長有金屬電極的硅片放到多源有機分子氣相沉積系統中，按照原來設計的器件結構依次生長m-MTDATA、NPB、Alq3以及LiF，此后樣品再置于金屬生長區生長1nm Al和20nm Ag作為半透明陰極。

2 結果與分析

圖2為歸一化后傳統底發射器件的發光光譜、根據微腔效應計算得到的發射光譜、以及通過器件實測得到的發光光譜。通過歸一化光譜比對可以明顯發現傳統的相同有機層結構的底發光器件發光光譜的半峰寬為108nm，峰值處在528nm，實測得到的頂發射器件電致發光光譜半峰寬僅為40nm，峰值處在512nm，產生顯著的藍移現象。相較于傳統底發射器件而言，實測頂發射器件的發光光譜半峰寬窄化了68nm。我們知道微腔結構中激發光譜的波長與微腔中各層光學厚度以及端反射面之間符合以下公式[1]：

（1）

其中，，為微腔中各層有機材料的折射率和物理厚度，為微腔最終出射的激發波長。、為頂發射有機電致發光器件中與金屬電極相連的有機材料與反射金屬電極之間的反射相移。當光傳播方向與反射端面垂直時，界面的反射相移滿足下式：

（2）

其中，，分別為反射金屬材料復折射率的虛部和實部，也就是消光系數和折射率，為與金屬接觸的有機材料的折射率。

具有微腔結構的器件的電致發光譜則通過下式計算得到：

（3）

其中，為低端全反射Ag電極的反射率，本文中取0.9， 為頂端半透明電極的反射率，本文中取0.4。式中為發光層中激子距離低端全反射電極的距離。考慮到Alq3激子的擴散長度為15nm，假設發光激子層在距NPB/Alq界面15nm處，那么取75nm。通過圖2的比對發現理論計算與實測頂發射有機電致發光器件的光譜相接近。

理論計算與實際的電致發光譜之間存在偏差的主要原因在于，實際頂發射器件電致發光光譜的峰值處在512nm，半峰寬為40nm；計算光譜的波峰為520nm，半峰寬為48nm；由于Alq激子的擴散長度是一個平均值，所以每個激子復合發光的位置同底電極的距離并不一致。本文的計算采用的單一發光激子薄層，從而導致計算結果和實際產生誤差。

3 結論

通過增加底端金屬電極的厚度，頂發射型器件具有明顯的微腔效應。與傳統底發射型器件相比光譜半峰寬達到了40nm。理論計算結果與實測綠光的頂發射型有機發光器件光譜相接近，符合微腔結構光譜激發特性。兩者之間的偏差在于理論計算對于連續厚度的激子發射層近似為單層激子發射層。

參考文獻：

[1]Aleksandra B.Djurisic，Aleksandar D.Rakic，Organic microcavity light-emitting diodes with metal mirrors： dependence of the emission wavelength on the viewing angle[J].APPLIED OPTICS，2002（41）：7650.