利用共振現(xiàn)象的OLED結(jié)構(gòu)

有機(jī)材料由于其躍遷的非均勻展開及邊帶振動(dòng)，致使 OLED 發(fā)光光譜一般比較寬，半高寬（FWHM）通常在 100nm 以上，影響器件發(fā)光的色純度，不利于彩色顯示。

人們不斷嘗試采用不同的方法來(lái)解決這一問(wèn)題：使用濾色鏡；采用窄帶發(fā)光材料；采用微腔結(jié)構(gòu)。光學(xué)微腔是把發(fā)光區(qū)置于一個(gè)全反射膜和半反射膜構(gòu)成的諧振腔內(nèi)，由于有機(jī)發(fā)光器件的厚度可與光波長(zhǎng)相當(dāng)，半透明復(fù)合陰極可看成半反射膜，再加上全反射陽(yáng)極,因而器件具有微腔效應(yīng)。

從有機(jī)發(fā)光層（EL）產(chǎn)生的一些光穿過(guò)半透明陰極并進(jìn)入我們的眼睛，而其余的則被反射回來(lái)。 經(jīng)過(guò)許多研究，以最大程度地使由金屬材料制成的陰極盡可能透明，會(huì)發(fā)現(xiàn)光量比無(wú)條件地增加透明度釋放的更多，這就是微腔效應(yīng)。

當(dāng)光的共振頻率與反射光的共振頻率相匹配時(shí)，比原始發(fā)射光強(qiáng)約1.5至2倍的強(qiáng)光通過(guò)陰極。 想理解微腔效應(yīng)，我們就得先了解以下它的基礎(chǔ)原理—共振。

共振現(xiàn)象

當(dāng)然，共振原理的基礎(chǔ)——干涉原理。 波動(dòng)相遇并重疊時(shí)，兩條波動(dòng)合在一起，振幅可能會(huì)比原來(lái)的波動(dòng)更大或更小，這種現(xiàn)象稱為“波動(dòng)干涉”。

上圖（左）的兩條波動(dòng)相遇后振幅（橫向）變大，因此稱為“相長(zhǎng)干涉”； 上圖（右）的兩條波動(dòng)相遇后振幅反而變小，因此稱為“相消干涉”。 這種波動(dòng)同樣適用于光。

因此，將相長(zhǎng)干涉原理適用于光，可以得到更強(qiáng)的光，也就是更亮的光。 雖然我們用肉眼無(wú)法看見，但是一切物體都有著“固有振動(dòng)數(shù)”，而且每種物體具有吸收與其固有振動(dòng)數(shù)相應(yīng)的頻率或波動(dòng)的性質(zhì)。

“共振（resonance）”是指，當(dāng)物體的固有振動(dòng)數(shù)與外力的振動(dòng)數(shù)相同時(shí)，物體自然地開始振動(dòng)，振動(dòng)速度和壓力等增大的現(xiàn)象，也稱“共鳴”現(xiàn)象。

利用共振現(xiàn)象的OLED結(jié)構(gòu)

來(lái)自EML層的光，在OLED器件內(nèi)部的不同界面進(jìn)行投射和反射，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的干涉現(xiàn)象。

向下擴(kuò)散的光碰到Anode的金屬層之后，向上反射，向上擴(kuò)散的光碰到Cathode。 如果是頂部發(fā)光器件，光到達(dá)我們眼睛的方向?yàn)槌稀?

從光的角度來(lái)看，Cathode類似于半透明反射膜。 因此，光到達(dá)Cathode之后，一部分光向外投射出去，還有一部分光再次反射并往下走。

這些反射光互相干涉，引起相長(zhǎng)干涉，產(chǎn)生共振現(xiàn)象. 為了形成與發(fā)光物質(zhì)的固有振動(dòng)數(shù)相同的共振頻率（振動(dòng)），應(yīng)考慮發(fā)光材料的光學(xué)性能，在器件結(jié)構(gòu)開發(fā)階段就要根據(jù)光的波長(zhǎng)進(jìn)行縝密設(shè)計(jì)。

若要產(chǎn)生光的相長(zhǎng)干涉，需要形成相應(yīng)的共振厚度，利用OLED和外部的多種疊層膜的厚度，可以形成共振厚度。

也就是說(shuō)，使有機(jī)層的厚度與膜的厚度相同，形成最佳共振頻率，從而引起該發(fā)光物質(zhì)共振有機(jī)層的厚度很薄，不足0.1-0.5μm，在可見光波長(zhǎng)范圍（380nm（Blue）-780nm（Red））出現(xiàn)各種共振現(xiàn)象。

通過(guò)這種方式，可以將光效率提高約1.5倍至2倍。

利用干涉和共振的自然現(xiàn)象，可以調(diào)節(jié)發(fā)光物體的厚度、折射率和反射率，改善所需波長(zhǎng)的光學(xué)特性或畫質(zhì)特性，而OLED充分利用了這個(gè)原理。

由于這種現(xiàn)象，需要在小區(qū)域內(nèi)發(fā)出盡可能明亮的光的中小型OLED可以顯著提高光效率。

微腔效應(yīng)

微腔器件總光學(xué)厚度以及微腔發(fā)光波長(zhǎng)峰值滿足以下關(guān)系式:

這里L(fēng)是微腔總光程。

Фij是光分別在陽(yáng)極與陰極反射面的相移之和，nidi分別是ITO和有機(jī)層的折射率、厚度，m是模的級(jí)數(shù)，λm為級(jí)數(shù)為m的模的波長(zhǎng).

由上面公式可知，如果改變腔的光學(xué)厚度L，則可以改變腔的模m的位置，從而改變微腔器件的發(fā)射波長(zhǎng)λm. 微腔效應(yīng)的強(qiáng)弱常通過(guò)半高寬(FWHM)來(lái)衡量,半高寬可大致滿足

R1,R2分別為兩個(gè)反射面的反射率,λmax為峰值波長(zhǎng),L為總光程. 由式可知,在反射率R1,R2不變的情況下,半高寬將隨著峰值波長(zhǎng)λmax的增大而增加。

通過(guò)設(shè)計(jì)不同的諧振波長(zhǎng),可以得到不同顏色波長(zhǎng)的發(fā)射. 光通過(guò)諧振腔發(fā)射出來(lái),使得光能得到加強(qiáng),光譜得到窄化,因而得到很好的色飽和度.

OLED微腔效應(yīng)舉證

舉例一:

以CuPc(12 nm) NPB(40 nm) Alq(40 nm)為發(fā)光層,制備了微腔結(jié)構(gòu)頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件,與相同發(fā)光層結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)底發(fā)射器件作為對(duì)比器件。

通過(guò)增加光程調(diào)節(jié)層ITO的厚度從180nm，190nm，210nm到240 nm,分別得到了500nm，516nm，536nm和584nm不同發(fā)光峰值的發(fā)射波長(zhǎng),半高寬分別為20nm,22nm,22nm和40nm.

如圖中虛線所示,Alq基傳統(tǒng)器件的發(fā)光峰值為535nm,半高寬為100 nm左右. 這一現(xiàn)象可由微腔效應(yīng)得到合理解釋: 由于半透明陰極Al Ag具有一定的光反射率,因此,在它與全反射層Ag之間就形成了微腔結(jié)構(gòu),一定波長(zhǎng)的光將在微腔內(nèi)得到加強(qiáng)和窄化.

由于ITO的折射率為2.2,較有機(jī)層的1.6~1.7大,所以其對(duì)微腔光程的影響也較為明顯.

因此我們用ITO作為光程調(diào)節(jié)層得到了較為明顯的效果,隨著ITO厚度改變,相當(dāng)于微腔總光程改變, 由微腔公式可知,此時(shí)發(fā)光峰值波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)改變, 因此,雖然Alq本身的發(fā)光峰值為535nm,我們得到了500nm到584nm不同峰值的發(fā)光.

隨著光程調(diào)節(jié)層ITO的厚度從180nm增加到240nm,半高寬從20nm增加到40nm. 器件的發(fā)光性能如下表所示:

由上表可知,隨著ITO的厚度變化,器件的電流效率發(fā)生較大的變化,這是由于發(fā)光峰值的不同而引起, 當(dāng)發(fā)光峰值為536 nm時(shí),由于Alq本身的發(fā)光在535 nm附近最強(qiáng),因此經(jīng)過(guò)微腔諧振后頂發(fā)射器件效率較高, 而離Alq本身的發(fā)光峰值535 nm較遠(yuǎn)時(shí),由于Alq本身的發(fā)光較弱,因此經(jīng)過(guò)微腔諧振后頂發(fā)射器件的效率也較低。

舉例二:為了驗(yàn)證以上結(jié)論,我們又以 CuPc(12nm),NPB(50nm),TBADN∶TBPe(30 nm),Alq(20 nm) 為發(fā)光層,制備了微腔結(jié)構(gòu)的頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件,同時(shí)以相同發(fā)光層結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)底發(fā)射器件作為對(duì)比器件. 結(jié)果如圖所示.

由于器件具有微腔結(jié)構(gòu),因此器件半高寬明顯減小; 當(dāng)改變調(diào)節(jié)層ITO的厚度,總腔長(zhǎng)改變時(shí),可得到了不同發(fā)光峰值的器件. ITO厚度從155nm到增加到210nm,發(fā)光峰值分別從464nm變化到532nm.

器件的半高寬隨著峰值波長(zhǎng)的增加而呈增大趨勢(shì),從17nm到增加到21 nm. 如圖虛線所示,傳統(tǒng)器件的發(fā)光峰值為464nm,半高寬為65nm左右,因此證明用微腔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)同一發(fā)光層制備出不同發(fā)射波長(zhǎng)的頂發(fā)射有機(jī)發(fā)光器件,發(fā)光光譜得到窄化,器件色度得到提高.

當(dāng)ITO厚度為155nm時(shí),可得到發(fā)光峰值為464nm,色坐標(biāo)為x=0.141,y= 0.049的深藍(lán)色頂發(fā)射器件. 器件的發(fā)光性能如表所示.

微腔效應(yīng)對(duì)頂發(fā)射器件顏色的影響,通過(guò)調(diào)節(jié)光程,實(shí)現(xiàn)了用同一種有機(jī)發(fā)光層制備出不同波長(zhǎng)的發(fā)射.

文末留一個(gè)小問(wèn)題:

我們說(shuō)的微腔效應(yīng)都是在于頂發(fā)射,為什么底發(fā)射就不會(huì)有呢?

審核編輯 ：李倩