微腔有機(jī)電致發(fā)光器件角度依賴性的模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張春玉，王慶凱，秦 莉，榮 華

(1.吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118;2.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)具有效率高、重量輕、成本低、響應(yīng)時(shí)間快的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的新型平板顯示器件［1-4］，也有望成為下一代高效固體照明光源［5］。但是，OLED的外量子效率遠(yuǎn)低于內(nèi)量子效率，在很大程度上制約了其發(fā)展和應(yīng)用。為此，人們研究了多種有效提高器件效率的光取出技術(shù)［6-8］。尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微腔對(duì)腔內(nèi)材料的自發(fā)發(fā)光特性有很強(qiáng)的修飾作用，因此，如何利用微腔來(lái)增強(qiáng)器件的電致發(fā)光性能成為當(dāng)前OLED領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［9-11］。在OLED中引入平面光學(xué)微腔已經(jīng)取得了一些研究成果，如發(fā)射強(qiáng)度增大、光譜窄化、發(fā)光效率和色純度提高等，但是微腔器件有角度依賴性，即隨觀測(cè)角不同，MOLED的電致發(fā)光強(qiáng)度、波長(zhǎng)等有變化。這使得MOLED在顯示上存在視角問(wèn)題，而設(shè)法避免或減小該缺點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)有機(jī)微腔器件的實(shí)用化是非常必要的。

現(xiàn)在，在微腔的角度依賴性方面已有一些研究結(jié)果［12-14］，但是卻缺乏相關(guān)理論研究。本文就MOLED的角度依賴性問(wèn)題進(jìn)行了理論模擬計(jì)算并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)造成微腔器件角度依賴性的原因進(jìn)行了分析。

2 理論模擬計(jì)算

由于微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光模式直接與微腔的結(jié)構(gòu)相關(guān)，我們從微腔的原理出發(fā)，根據(jù)微腔器件的相關(guān)計(jì)算公式運(yùn)用傳輸矩陣法建立模型，進(jìn)行模擬計(jì)算。

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)光中心波長(zhǎng)為467 nm的微腔藍(lán)光有機(jī)電致發(fā)光器件(MOLED)，其結(jié)構(gòu)為Glass/DBR/ITO(58 nm)/NPB(46 nm)/DPVBi(20 nm)/Alq3(56 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)。其中，NPB為器件的空穴傳輸層，DPVBi為發(fā)光層，Alq3作為電子傳輸層，ITO為陽(yáng)極，LiF為緩沖層，Al作為陰極的同時(shí)與DBR形成一對(duì)反射腔鏡。DBR由3個(gè)周期的1/4發(fā)射波長(zhǎng)厚度的高低折射率光學(xué)介質(zhì)材料組成。DBR的高折射率材料是折射率為2.05的Ta2O5，低折射率材料是折射率為1.46的SiO2，ITO的折射率為2，本身作為一層高折射率材料同時(shí)作為器件的正極。

MOLED法線方向上探測(cè)的EL譜可以用下面的公式來(lái)計(jì)算［15］:

其中z是激子到金屬反射鏡的距離;Rd和Rm分別為DBR和金屬反射鏡的反射率;L是整個(gè)微腔內(nèi)的光學(xué)厚度;是自由空間的光譜強(qiáng)度分布，這里用的是DPVBi的熒光(PL)光譜。

有機(jī)微腔的諧振模式滿足Fabry-Perot方程［16］:

其中φd和φm分別為DBR和金屬反射鏡的反射相移，λ是諧振波長(zhǎng)，第三項(xiàng)是腔內(nèi)光學(xué)厚度，ni和di為腔內(nèi)各有機(jī)層薄膜的折射率和厚度，θ是外部探測(cè)角，m是模式級(jí)數(shù)。這里我們?cè)O(shè)定ni=1.79，θ由0°逐漸變化至70°。

首先，我們通過(guò)模擬計(jì)算得到MOLED在觀察角度為0°～70°之間的8個(gè)反射光譜(圖1)，并進(jìn)行了分析比較。

圖1 模擬觀測(cè)角度為0°～70°的MOLED器件的反射譜Fig.1 Simulated reflection spectra of MOLED in the detection angle range from 0°to 70°

從圖1可以看到，隨著觀測(cè)角度的增大，透射峰值逐漸藍(lán)移，由0°的472 nm逐漸藍(lán)移至40°的409 nm。50°和60°的透射峰值不明顯，70°的透射峰值為428 nm。

表1是模擬的外部觀測(cè)角(θ)與內(nèi)部出射角(α)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及對(duì)應(yīng)的發(fā)光器件反射譜峰值位置，設(shè)定內(nèi)部有機(jī)層折射率為1.79，外部空氣折射率為1。由表1可以看到，當(dāng)內(nèi)外角度均為0°時(shí)，反射譜峰值位于472 nm;當(dāng) θ為10°時(shí)，對(duì)應(yīng)的α為5.57°，此時(shí)峰值位于468 nm處;當(dāng)θ為70°時(shí)，α 為31.67°，對(duì)應(yīng)峰值為428 nm。由折射定律可知，當(dāng)α大于33.98°時(shí)，內(nèi)部發(fā)射光子就不能再耦合輸出了。所以對(duì)于微腔器件，也只有在外部觀測(cè)角度小于70°的發(fā)光才能被探測(cè)到。

表1 外部觀測(cè)角與內(nèi)部出射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Relationship between the external detection angle and internal emitting angle

圖2和圖3為模擬計(jì)算得出的不同觀測(cè)角度下的微腔器件在P和S偏振下的EL光譜。可以看到，隨著觀測(cè)角度由10°增加到70°，MOLED器件在S和P偏振下的的EL峰值都逐漸藍(lán)移，但幅度不完全一樣。S偏振下的峰值強(qiáng)度普遍比P偏振大，不同角度下的S和P偏振的EL峰值位置基本相同，變化規(guī)律是一樣的。在30°時(shí)，S和P偏振下的EL峰值強(qiáng)度都最大，這是因?yàn)榘l(fā)光材料DPVBi的PL譜中心波長(zhǎng)在453 nm處。

圖2 觀測(cè)角度由0°變化到70°時(shí)，模擬的MOLED器件在P偏振下的EL譜。Fig.2 Simulated P polarized beam EL spectrum in the detection angle range from 0°to 70°

圖3 觀測(cè)角度由0°變化到70°時(shí)，模擬的MOLED器件在S偏振下的EL譜。Fig.3 Simulated S polarized beam EL spectrum in the detection angle range from 0°to 70°

對(duì)模擬的光譜進(jìn)行分析，得出結(jié)論認(rèn)為:觀測(cè)角度不同時(shí)，兩個(gè)反射鏡的S和P偏振下的反射率及反射相移跟著變化，腔內(nèi)的有機(jī)層光學(xué)厚度在該出射角度下與垂直方向時(shí)不同，隨著出射角度逐漸變大，光學(xué)厚度逐漸變小，導(dǎo)致EL譜的峰值藍(lán)移且峰值強(qiáng)度變小。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。

3 實(shí) 驗(yàn)

我們制作了上述模擬的藍(lán)色微腔器件。選用方塊電阻為100Ω/□的Glass/DBR/ITO基片作為有微腔器件的襯底。在超凈室中清洗ITO基片，依次使用加熱的去離子水加洗滌劑、去離子水超聲清洗，然后吹干。將ITO基片放入OLED有機(jī)多功能成膜設(shè)備中，在250 V電壓下用氧等離子體處理3 min，目的是降低ITO表面的碳含量，增加ITO的氧含量，提高ITO的功函數(shù)。預(yù)處理后，分別蒸鍍有機(jī)材料層、LiF和鋁陰極，多功能成膜設(shè)備系統(tǒng)的真空度保持在4×10－4Pa，各層薄膜的沉積速率和厚度由ZMK-Ⅲ膜厚監(jiān)控儀監(jiān)測(cè)。發(fā)光區(qū)的面積為2 mm×2 mm。微腔器件EL譜、電流、電壓特性采用由美國(guó)產(chǎn)的“PR705光譜掃描色度計(jì)”和Keithley-2400數(shù)字源表組成的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。所有測(cè)試均在室溫大氣中進(jìn)行。

圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微腔器件的EL光譜隨觀測(cè)角度變化的曲線。可以看到，隨著探測(cè)角度由0°漸次增加到70°，EL光譜的發(fā)光峰值由472 nm藍(lán)移到428 nm，強(qiáng)度逐漸減小，光譜的半峰全寬也依次變寬(由12 nm變至120 nm)，說(shuō)明微腔器件有角度依賴性。同時(shí)，也觀察到在30°時(shí)，即峰值位于454 nm處的峰值強(qiáng)度明顯大于10°和20°時(shí)，這同樣是因?yàn)榘l(fā)光材料DPVBi的熒光發(fā)光峰值位于453 nm處。這個(gè)結(jié)果與前面模擬的微腔器件的S和P偏振下EL譜的變化規(guī)律一致，并且與模擬的反射譜的透射峰位隨觀測(cè)角度的變化規(guī)律也相符。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微腔器件的EL譜，觀測(cè)角度由0°變化到 70°。Fig.4 Experimental EL spectra in the detection angle range from 0°to 70°

4 結(jié) 論

為了分析微腔有機(jī)電致發(fā)光器件發(fā)光的角度依賴性，根據(jù)微腔計(jì)算公式，采用傳輸矩陣法進(jìn)行了模擬計(jì)算，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于模擬的不同觀測(cè)角度下的器件的反射譜，其透射峰值與實(shí)驗(yàn)得到的微腔器件的EL譜峰值相對(duì)應(yīng)，并隨角度的增大而峰值藍(lán)移。分析認(rèn)為，這種變化是由于觀測(cè)角度不同時(shí)，兩個(gè)反射鏡的S和P偏振下的反射率及反射相移不同，腔內(nèi)的有機(jī)層光學(xué)厚度在該出射角度下與垂直方向時(shí)不同，導(dǎo)致了微腔長(zhǎng)度的變化，最終導(dǎo)致微腔器件的發(fā)光特性發(fā)生變化。模擬計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都說(shuō)明了微腔器件有角度依賴性，下一步的工作將通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)力圖減小這種角度依賴性。

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