微腔效應(yīng)下有機(jī)LED器件光譜調(diào)節(jié)機(jī)制

陳欣平 厲強(qiáng) 陳亮

摘 要：通過實(shí)驗(yàn)我們制備了基于Alq3的頂發(fā)射型微腔器件，通過優(yōu)化兩端電極結(jié)構(gòu)，得到頂發(fā)射器件的電致發(fā)光譜的半峰寬降低到40nm，與基于Alq3的傳統(tǒng)底發(fā)射器件相比窄化了68nm。為了進(jìn)一步提高器件效率，論文針對(duì)于綠光有機(jī)LED器件，還提出了相應(yīng)的有效腔長(zhǎng)和發(fā)光層距離低端電極的距離。

關(guān)鍵詞：頂發(fā)射；有機(jī)電致發(fā)光；微腔

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

0 前言

由于微腔效應(yīng)，因頂發(fā)射有機(jī)電致發(fā)光器件中電致發(fā)光的發(fā)光材料所發(fā)射光譜受到調(diào)制。為此，當(dāng)發(fā)光材料的EL譜與微腔諧振波長(zhǎng)相匹配時(shí)，其自發(fā)輻射得到增強(qiáng)，如果EL譜峰值波長(zhǎng)與微腔的諧振波長(zhǎng)不相匹配，則發(fā)光材料的自發(fā)輻射受到抑制，導(dǎo)致效率較低。不管怎么樣，微腔結(jié)構(gòu)在頂發(fā)射型有機(jī)電致發(fā)光器件中具有重要影響。為此，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到微腔效應(yīng)。目前在頂發(fā)射有機(jī)微腔電致發(fā)光器件中，一般具有兩種形式的微腔結(jié)構(gòu)。一種微腔結(jié)構(gòu)中反射鏡是由兩個(gè)金屬鏡面構(gòu)成，一個(gè)是全反射鏡，一個(gè)是半透明的半反射鏡。另一種結(jié)構(gòu)是以周期性的四分之一波長(zhǎng)堆疊構(gòu)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(duì)基于雙金屬電極構(gòu)成的FB微腔結(jié)構(gòu)有機(jī)LED器件光譜優(yōu)化進(jìn)行了研究，為器件制備獲得高質(zhì)量出射光譜提供借鑒思路。

1 實(shí)驗(yàn)

本文所制備的頂發(fā)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(fā)光層在上下兩個(gè)鏡面間，器件總厚度為110nm處于波長(zhǎng)量級(jí)。器件的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)10nmSiO2層作為絕緣層，樣品在制備金屬電極之前按照標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝進(jìn)行清洗，然后金屬蒸發(fā)室內(nèi)生長(zhǎng)70nm的銀作低端陽極。生長(zhǎng)有金屬電極的硅片放到多源有機(jī)分子氣相沉積系統(tǒng)中，按照原來設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)依次生長(zhǎng)m-MTDATA、NPB、Alq3以及LiF，此后樣品再置于金屬生長(zhǎng)區(qū)生長(zhǎng)1nm Al和20nm Ag作為半透明陰極。

2 結(jié)果與分析

圖2為歸一化后傳統(tǒng)底發(fā)射器件的發(fā)光光譜、根據(jù)微腔效應(yīng)計(jì)算得到的發(fā)射光譜、以及通過器件實(shí)測(cè)得到的發(fā)光光譜。通過歸一化光譜比對(duì)可以明顯發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的相同有機(jī)層結(jié)構(gòu)的底發(fā)光器件發(fā)光光譜的半峰寬為108nm，峰值處在528nm，實(shí)測(cè)得到的頂發(fā)射器件電致發(fā)光光譜半峰寬僅為40nm，峰值處在512nm，產(chǎn)生顯著的藍(lán)移現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)底發(fā)射器件而言，實(shí)測(cè)頂發(fā)射器件的發(fā)光光譜半峰寬窄化了68nm。我們知道微腔結(jié)構(gòu)中激發(fā)光譜的波長(zhǎng)與微腔中各層光學(xué)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(jī)材料的折射率和物理厚度，為微腔最終出射的激發(fā)波長(zhǎng)。、為頂發(fā)射有機(jī)電致發(fā)光器件中與金屬電極相連的有機(jī)材料與反射金屬電極之間的反射相移。當(dāng)光傳播方向與反射端面垂直時(shí)，界面的反射相移滿足下式：

（2）

其中，，分別為反射金屬材料復(fù)折射率的虛部和實(shí)部，也就是消光系數(shù)和折射率，為與金屬接觸的有機(jī)材料的折射率。

具有微腔結(jié)構(gòu)的器件的電致發(fā)光譜則通過下式計(jì)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(fā)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(kuò)散長(zhǎng)度為15nm，假設(shè)發(fā)光激子層在距NPB/Alq界面15nm處，那么取75nm。通過圖2的比對(duì)發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算與實(shí)測(cè)頂發(fā)射有機(jī)電致發(fā)光器件的光譜相接近。

理論計(jì)算與實(shí)際的電致發(fā)光譜之間存在偏差的主要原因在于，實(shí)際頂發(fā)射器件電致發(fā)光光譜的峰值處在512nm，半峰寬為40nm；計(jì)算光譜的波峰為520nm，半峰寬為48nm；由于Alq激子的擴(kuò)散長(zhǎng)度是一個(gè)平均值，所以每個(gè)激子復(fù)合發(fā)光的位置同底電極的距離并不一致。本文的計(jì)算采用的單一發(fā)光激子薄層，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際產(chǎn)生誤差。

3 結(jié)論

通過增加底端金屬電極的厚度，頂發(fā)射型器件具有明顯的微腔效應(yīng)。與傳統(tǒng)底發(fā)射型器件相比光譜半峰寬達(dá)到了40nm。理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)綠光的頂發(fā)射型有機(jī)發(fā)光器件光譜相接近，符合微腔結(jié)構(gòu)光譜激發(fā)特性。兩者之間的偏差在于理論計(jì)算對(duì)于連續(xù)厚度的激子發(fā)射層近似為單層激子發(fā)射層。

參考文獻(xiàn)：

[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.