微腔效應(yīng)下有機LED器件光譜調(diào)節(jié)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(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(yīng)的有效腔長和發(fā)光層距離低端電極的距離。

關(guān)鍵詞：頂發(fā)射；有機電致發(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譜與微腔諧振波長相匹配時，其自發(fā)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(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)計需要考慮到微腔效應(yīng)。目前在頂發(fā)射有機微腔電致發(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)中反射鏡是由兩個金屬鏡面構(gòu)成，一個是全反射鏡，一個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。本論文針對基于雙金屬電極構(gòu)成的FB微腔結(jié)構(gòu)有機LED器件光譜優(yōu)化進行了研究，為器件制備獲得高質(zhì)量出射光譜提供借鑒思路。

1 實驗

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)光層在上下兩個鏡面間，器件總厚度為110nm處于波長量級。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(fā)室內(nèi)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(tǒng)中，按照原來設(shè)計的器件結(jié)構(gòu)依次生長m-MTDATA、NPB、Alq3以及LiF，此后樣品再置于金屬生長區(qū)生長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)計算得到的發(fā)射光譜、以及通過器件實測得到的發(fā)光光譜。通過歸一化光譜比對可以明顯發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的相同有機層結(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，實測得到的頂發(fā)射器件電致發(fā)光光譜半峰寬僅為40nm，峰值處在512nm，產(chǎn)生顯著的藍移現(xiàn)象。相較于傳統(tǒng)底發(fā)射器件而言，實測頂發(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，，為微腔中各層有機材料的折射率和物理厚度，為微腔最終出射的激發(fā)波長。、為頂發(fā)射有機電致發(fā)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(dāng)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(fù)折射率的虛部和實部，也就是消光系數(shù)和折射率，為與金屬接觸的有機材料的折射率。

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?？紤]到Alq3激子的擴散長度為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的比對發(fā)現(xiàn)理論計算與實測頂發(fā)射有機電致發(fā)光器件的光譜相接近。

理論計算與實際的電致發(fā)光譜之間存在偏差的主要原因在于，實際頂發(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(fù)合發(fā)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(fā)光激子薄層，從而導(dǎo)致計算結(jié)果和實際產(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到了40nm。理論計算結(jié)果與實測綠光的頂發(fā)射型有機發(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算對于連續(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：

[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.