微腔有機(jī)電致發(fā)光器件

徐海楠 張春玉 胡良斌 梁洋 張磊 王靖仁

摘 ?要：有機(jī)電致發(fā)光器件（OLED）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的固體化平板顯示技術(shù)，微腔結(jié)構(gòu)可以改變OLED的發(fā)光特性，提高器件的色純度和發(fā)光效率，在開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)器件方面意義重大。

關(guān)鍵詞：有機(jī)電致發(fā)光器件;光學(xué)微腔

有機(jī)發(fā)光顯示器件具有功耗小、視角寬、響應(yīng)時(shí)間快、色彩飽和度高、主動(dòng)發(fā)光、厚度薄、高效率的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的新型平板顯示器件。OLED一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大量的關(guān)注，并投入了大量的人力和資金展開(kāi)了許多研究工作，取得許多鼓舞人心的成果。

1：有機(jī)電致發(fā)光器件

有機(jī)電致發(fā)光器件的基本結(jié)構(gòu)主要由一層透光的陽(yáng)極（通常是由氧化銦錫所制得的ITO），一層金屬陰極（Al，Mg-Ag和Ag等），在兩極材料之中夾一層或者多層有機(jī)發(fā)光材料構(gòu)成。OLED的發(fā)光過(guò)程，就是為器件施加直流電壓驅(qū)動(dòng)，以此使得器件中的發(fā)光材料層發(fā)光的過(guò)程。在這一足夠大的直流驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電性相反的載流子在器件兩側(cè)往中間做運(yùn)動(dòng)，在發(fā)光層進(jìn)行結(jié)合形成激子。激子的出現(xiàn)，使得發(fā)光材料從穩(wěn)定的基態(tài)轉(zhuǎn)變成相對(duì)不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，再?gòu)哪芰枯^高的激發(fā)態(tài)回到原來(lái)能量較低的基態(tài)。此時(shí)，由電能轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能的能量被以光的形式釋放出來(lái)，這一整個(gè)電能轉(zhuǎn)化為光能的過(guò)程就是有機(jī)電致發(fā)光的全過(guò)程。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的器件結(jié)構(gòu)對(duì)提高顯示的發(fā)光效率能等重要性能指標(biāo)有十分重要的意義。1987年C. W. Tang等首先提出了在器件結(jié)構(gòu)中引入了空穴傳輸層，大大降低了有機(jī)電致發(fā)光器件的工作電壓，提高了有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光效率。一般而言，OLED可按發(fā)光材料分為兩種：小分子和高分子材料。近年來(lái)研究人員不斷探索新的發(fā)光材料和新的器件結(jié)構(gòu)來(lái)提高器件性能。2015年出現(xiàn)頂發(fā)射有機(jī)電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，2016年，有人提出了一種以PET襯底取代傳統(tǒng)OLED的玻璃襯底，通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂敷法鍍膜制作出柔性有機(jī)電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)。有人利用了磷光材料在理論上具有100%的內(nèi)量子效率這一特點(diǎn)，提出了一種利用雙發(fā)射場(chǎng)結(jié)構(gòu)的白色OLED器件，這一器件具有極高的發(fā)光效率和極低的效率滾降。同年，有人提出了一種性能優(yōu)越的空穴材料PTPAPI，并在藍(lán)光OLED器件上證明了其優(yōu)越的空穴傳輸性能。2017年，采用雙母體的結(jié)構(gòu)，以雙母體結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)OLED器件中的空穴傳輸層和電子傳輸層，在對(duì)器件發(fā)光性能進(jìn)行探究的基礎(chǔ)之上，簡(jiǎn)化了原本復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)。同一年，有人通過(guò)在藍(lán)光OLED器件中逐步引入各種功能層，研究了不同功能層之間結(jié)構(gòu)對(duì)OLED器件性能的影響。此外，尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)對(duì)腔內(nèi)材料的發(fā)光特性有很強(qiáng)的修飾作用，近年來(lái)，在OLED中引入微腔結(jié)構(gòu)被證明是一種很好地改善器件發(fā)光性能，因此出現(xiàn)了利用微腔來(lái)增強(qiáng)OLED發(fā)光性能的熱潮。

2：微腔有機(jī)電致發(fā)光器件

光學(xué)微腔是指腔的尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微型諧振腔。微腔結(jié)構(gòu)主要包括平面微腔、微球和微環(huán)等，最簡(jiǎn)單的是平面光學(xué)微腔是在垂直腔面的一維方向上尺寸為光波長(zhǎng)大小的Fabry-Perot諧振腔。

平面微腔是目前用得最多的，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。它由兩個(gè)反射鏡，以及在兩反射鏡之間的材料構(gòu)成。微腔的兩個(gè)反射鏡不一樣，它們反射率不相同，一個(gè)高，一個(gè)低。兩個(gè)反射鏡的組合不止一種，一種是兩個(gè)反射鏡都采用DBR作為反射鏡，DBR為高低折射率材料交替堆疊而成的布拉格反射鏡，第二種是利用金屬鏡做全反射鏡，DBR反射鏡作為半反射鏡;第三種就是兩個(gè)反射鏡全是金屬鏡。第二種器件性能良好，研究人員多是采用這種。

微腔有機(jī)發(fā)光的研究最早開(kāi)始于1991年，M. Suzuki利用LB膜技術(shù)在光激發(fā)條件下展開(kāi)了對(duì)有機(jī)發(fā)光材料是小分子薄膜的平面微腔的研究。兩年之后，日本的Takahiro Nakayama等人制作一個(gè)單鏡器件和兩個(gè)雙鏡微腔器件，這是微腔研究歷史上第一個(gè)微腔有機(jī)電致發(fā)光器件。研究結(jié)果表明，無(wú)論是光致發(fā)光還是電致發(fā)光，具有微腔結(jié)構(gòu)的的雙鏡器件的發(fā)光效率，光譜窄化系數(shù)均優(yōu)于單鏡器件。兩年之后，與PPV有機(jī)發(fā)光材料一起提出的，R.H. Friend研制了首個(gè)聚合物微腔發(fā)光器件。由于聚合物成膜技術(shù)的限制，聚合物鍍膜只能通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂敷發(fā)，聚合物發(fā)光層的厚度很難控制，生產(chǎn)出來(lái)的器件品質(zhì)不穩(wěn)定，人們?cè)诰酆衔镂⑶话l(fā)光器件的研究因此并沒(méi)有小分子微腔研究得深入。1996年，A. Dodabalapur等人對(duì)微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的模擬計(jì)算和理論進(jìn)行了較為詳盡的研究，通過(guò)改變兩個(gè)腔面鏡所夾的工作介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和厚度實(shí)現(xiàn)了三原色的發(fā)光模式和混和的發(fā)光模式。2009年，國(guó)內(nèi)一個(gè)研究小組通過(guò)模擬計(jì)算并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OLED沒(méi)有角度依賴性，而微腔器件的角度依賴性比較明顯，這是微腔器件的缺陷之一。2010年，該組研究了發(fā)光激子位置不同對(duì)于微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的影響，得出發(fā)光激子位置恰好位于腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度最大處，微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光效率達(dá)到最大的結(jié)論。隨后，有人提出了兩個(gè)金屬層作為反射鏡和半反射鏡的微腔器件，高反射Al陰極和半反射Al陽(yáng)極為微腔的兩端反射鏡器件。

總之，在有機(jī)電致發(fā)光器件中引入微腔結(jié)構(gòu)，有以下幾個(gè)好處。第一，由于微腔效應(yīng)引入導(dǎo)致有機(jī)發(fā)光自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子在腔內(nèi)的振動(dòng)模式，一部分得到了干涉相消，另一部分得到了干涉相長(zhǎng)，窄化了光譜，微腔OLED的色純度和OLED相比較得到顯著的提高。第二，微腔可以通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度提高OLED的發(fā)光效率。但是，微腔有機(jī)電致發(fā)光器件依然存在著許多的問(wèn)題，發(fā)光存在著角度依賴性，器件本身的制作成本高等。這些問(wèn)題需要研究人員去進(jìn)一步研究解決。

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基金項(xiàng)目：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)201810191110）資助項(xiàng)目