有機發(fā)光二極管光取樣技術(shù)的研究進展

有機發(fā)光二極管光取樣技術(shù)的研究進展

1.高效光取速度高效點由于重量輕、成本低、視角寬、速度快、自動發(fā)光和全面色彩顯示等優(yōu)點，學(xué)術(shù)界和行業(yè)對其進行了評價?？梢哉f，android具有幾乎所有的優(yōu)點，可以說是指令制造設(shè)備中最理想、最具前景的下一代照明顯示技術(shù)之一。由于android具有巨大的應(yīng)用價值，為什么人們需要制作高效的設(shè)備。與此同時，人們對android的性能要求也在增加。然而，由于android外部噪聲效率與內(nèi)部噪聲效率之間的巨大差異，這種新型噪聲的發(fā)展非常有限。因此，如何提高觸摸頭的效率已成為研究的重點。2.光學(xué)特性和光彈性O(shè)LED的發(fā)光原理是,當(dāng)施加正向直流電壓于兩電極時,電子和空穴分別從陰極和陽極注入有機薄膜,在電場作用下,載流子在有機半導(dǎo)體材料中相向遷移,相遇后產(chǎn)生激子,激子在發(fā)光區(qū)域復(fù)合發(fā)光.發(fā)出的光隨機向各個方向射出,在傳播過程由于全反射(totalinternalreflection,TIR)的作用,形成了外部模式(光從基底表面射出)、基底波導(dǎo)模式和ITO/有機層波導(dǎo)模式[13—16].圖1是典型的OLED器件以及光波導(dǎo)示意圖.根據(jù)經(jīng)典的射線光學(xué)理論,由于玻璃基底以及ITO/有機材料在折射率等方面的差異,導(dǎo)致產(chǎn)生的光只有少部分能從基底出射,而其余的大部分光或以波導(dǎo)模式陷于玻璃基底和器件中,或從OLED器件的邊緣出射.據(jù)理論推導(dǎo),從基底出射的、陷于基底中的及陷于ITO/有機層中的各部分光所占比例依次可由以下公式計算得到:其中,norg為有機材料的折射率,θorg,c1,θorg,c2分別為有機層-空氣界面及有機層-基底界面之間的臨界角.根據(jù)經(jīng)典射線光學(xué)理論計算[16—18],傳統(tǒng)經(jīng)典OLED器件中外部模式、基底波導(dǎo)模式以及ITO/有機層波導(dǎo)模式的比例分別為20%,30%和50%.從基底表面發(fā)出的光(外部模式)僅有20%,這遠遠無法滿足照明以及顯示應(yīng)用的需要.從計算結(jié)果可以看出,激子復(fù)合產(chǎn)生的光大部分無法從基底出射成了限制OLED發(fā)光效率最主要的因素.因此許多研究者將關(guān)注焦點轉(zhuǎn)移到探索提高光取出效率的方法上來.3.ito/有機層導(dǎo)電模式現(xiàn)已經(jīng)有多種器件修飾技術(shù)可以提高光取出效率,總結(jié)起來可以分為以下三種:提高基底光取出技術(shù);抑制ITO/有機層波導(dǎo)模式技術(shù);微腔共振技術(shù)(OLED器件光取出一側(cè)設(shè)置一個半透明的金屬膜).接下來,本文從上述三個角度分別舉例探討提高光取出效率的方式及其產(chǎn)生的效果.3.1.基底-空氣臨界面的光出效率提高光取出效率最簡單的辦法就是增加基底取光.由于器件內(nèi)部構(gòu)造以及界面反射的原因,導(dǎo)致基底和外部模式得到的光最多只有50%.而外部模式只有20%,大部分被限制在基底模式中,因此要提高基底傳播方式的光取出效率只能對基底-空氣臨界面進行加工.3.1.1.微透鏡運行效率和性能在基底背面覆蓋有序或無序的微透鏡陣列可以提高光取出效率[18—29].微透鏡將原本入射角大于臨界角的射線角度縮小,減少了產(chǎn)生全反射,使得之前陷于基底中的光便可以射出.圖2(a)為器件采用有序微透鏡陣列取出基底波導(dǎo)模式光示意圖.Moller等人利用直徑為10μm的聚二甲基硅氧烷(polymerdimethylsilicone,PDMS)微透鏡(如圖2(b)所示),實驗結(jié)果證明外量子效率提高了1.5倍(由9.5%提高到14.5%),而且明顯改善了視角.Forrest等在插入低折射率格子的器件中,采用微透鏡技術(shù),光取出效率提高了3.4±0.2倍.Wei等人證明了一種簡單有效的估算微透鏡OLED流明效率的方法,結(jié)果發(fā)現(xiàn)光取出效率增強了56%.他們還研究了正方形微透鏡的基長同流明效率增強之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)微透鏡OLED的流明效率隨著微透鏡陣列長度的減少而呈線性增長.隨后,他們證明了隨著微透鏡填充因子的增加,器件的流明電流效率和流明功率效率呈線性增長,但是同時器件的光譜半高寬和色坐標(biāo)呈線性降低.Lim等證明了無序的微透鏡可以提高光取出效率,并發(fā)現(xiàn)在微腔OLED中,不僅可以提高效率,而且還可以保持寬視角范圍內(nèi)色穩(wěn)定性.采用優(yōu)化后的微透鏡,在不影響器件的電學(xué)特性下,器件光取出效率理論上可以提高80%,并在實驗中器件效率提高了70%.采用微透鏡陣列后,基底模式中光波導(dǎo)損失得到有效的抑制.Wei等人研究了微透鏡陣列對OLED平板顯示性能的影響,發(fā)現(xiàn)微透鏡陣列不僅能大幅度提高取出效率,而且還可以在寬視角范圍內(nèi)保持器件色坐標(biāo)和顏色的穩(wěn)定.隨后Lee等采用中空微透鏡,證明不僅可以大幅度提高光取出效率和功率效率,而且相對于傳統(tǒng)微透鏡,采用中空微透鏡的器件光譜的紅移更小.若要將微透鏡技術(shù)應(yīng)用于顯示領(lǐng)域,必須將透鏡縮小且陣列化.但此時與基底的對位變得相當(dāng)重要,而且基底不能太厚(<0.5mm),否則相鄰像素會相互干擾.日本斯坦雷電氣公司(StanleyElectric)在白色有機電致發(fā)光(EL)面板表面采用突起間距為20μm、厚度為150μm的金字塔狀透鏡,開發(fā)出正面亮度高達5000cd/m2白色有機EL面板,面板的正面亮度相對于該公司先前產(chǎn)品提高了1.7倍.由于生產(chǎn)成本較高,該方法尚未應(yīng)用于量產(chǎn).目前,Forrest和美國通用顯示技術(shù)(universaldisplaycorporation,UDC)公司利用該技術(shù)攜手開發(fā)亮度更高的白光OLED,以期降低生產(chǎn)成本.3.1.2.光作為散射層的應(yīng)用該技術(shù)借助散射膜回收利用陷于基底波導(dǎo)模式中的光,通過改變光子隨機軌道使得在基底-空氣臨界面發(fā)生全反射的光可以改變方向重新從基底射出,從而提高總的光取出效率[30—35].較完整的散射層設(shè)計理論由Shiang和Duggal等提出.Shiang等將高折射率的ZrO2小球(d=0.6mm),以不同的濃度比混入厚度為數(shù)毫米的PDMS(n=1.42)薄膜中,最后實驗結(jié)果表明取出效率增加了約40%,相當(dāng)于基底模式中的70%的光被取出.隨后,Paetzold等證明了光取出效率的增加主要取決于區(qū)域中散射離子的絕對數(shù)目.在散射層部分高濃度散射點摻雜能有效的提升整體出光率,并改善器件的視角特性.相同的原理,Tsutsui等用直徑550nm的Si微球體有序混合單層做成散射層加到傳統(tǒng)器件上.由于散射層中六角Si微球體作為二維衍射格子,因此具有很強的散射作用.Si微球體不僅貼附在玻璃基底背面而且包含在器件內(nèi)部,如圖3所示,有序Si微球體陣列作為強散射中心,使陷于基底與ITO/有機層波導(dǎo)模式中的光可以較為容易地提取出來,因此光取出效率有了很大的提高,同樣由于散射,會不可避免的造成發(fā)出的光波峰分裂等現(xiàn)象.Gong等用穩(wěn)定的納米自聚合2,9-二甲基-4,7-二苯基-1,10-菲咯啉薄膜作為散射層,光取出效率最高可以提高2.7倍.雖然會造成波峰分裂等不良現(xiàn)象,但是由于涂布散射層技術(shù)具有成本低,制作簡單以及不破壞器件電學(xué)特性等優(yōu)勢,因此在照明市場具有很大的應(yīng)用前景.3.1.3.基底導(dǎo)電材料在其他器件上的應(yīng)用形狀化基底技術(shù)是一種簡單有效的可以把基底波導(dǎo)模式光取出的技術(shù).這種技術(shù)在1999年由Lu等提出,目前已有多種形狀化基底技術(shù)應(yīng)用到器件中[37—39].Gu等利用光波導(dǎo)原理設(shè)計了一個高為2.2mm,頂部寬度為3mm,邊緣傾角為34°的圓錐型?；?以此基底制作的器件的外量子效率比用平板玻璃為基底的器件增加了近2倍.實驗結(jié)果證明這種結(jié)構(gòu)不僅能提高量子效率,降低能耗,而且還可以延長器件壽命.在另一項技術(shù)中,通過在玻璃基底的背面形成球形圖案也可以提高光取出效率.圖4為采用球形背面基底后基底波導(dǎo)模式光取出示意圖.球形基底在這里既作為折射率匹配材料又作為透鏡.由于這些修飾,陷于基底波導(dǎo)模式中的光從基底中被取出來.據(jù)報道OLED的正面發(fā)射強度提高了9.6倍,總的發(fā)光強度提高了3倍.3.1.4.納米多孔膜技術(shù)Kwok等采用簡單的噴砂技術(shù),把玻璃基底背面制成無序納米圖案,光取出效率提高了20%.而傳統(tǒng)光刻、干涉光刻及電子束光刻等多種納米圖案技術(shù)也已被應(yīng)用到OLED來提高光取出效率[41—45].Lee等人利用兩步全息光刻以及反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備二維SiO2納米孔,并將其應(yīng)用到傳統(tǒng)典型OLED器件上,取出效率有了很大提高.周期性金納米線陣列被證明也可以提高有效的提高光取出效率,相對于傳統(tǒng)器件提高了2.2倍.在玻璃基底上刻蝕二維光子晶體,同樣可以提高效率,因為布拉格散射,光取出效率增強了50%.納米多孔膜技術(shù)是利用散射原理,由光進入散射層后經(jīng)過多次散射后出光.Cheng等人利用此技術(shù)以自組裝多孔滲水膜為基底制作了一個表面網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)PDMS薄膜,如圖5所示.在實驗中為了測量實際器件效率,設(shè)計了兩個OLED,一個為傳統(tǒng)OLED,另外一個通過折射率為1.4的環(huán)氧膜和網(wǎng)孔狀PDMS膜結(jié)合在一起,其中OLED直徑0.5cm,膜厚1mm.通過實驗對比,光取出效率大約增強(46.09±8.85)%.實驗結(jié)果還表明,光波長對取出效率的影響比較小,這樣比較利于維持發(fā)光器件的顏色光譜.此外,由于散射的原因,視角也得到明顯改善.雖然納米多孔膜結(jié)構(gòu)可以提高光取出效率,但自身也存在一些不足.例如,由于以多孔有序陽極氧化鋁膜(anodicaluminiumoxide,AAO)為模板制作的納米線只有μm量級,在制作過程中很容易變成無序狀態(tài).此外,在器件表面進行網(wǎng)孔加工,不可避免造成器件抗衰性較差,影響器件穩(wěn)定性.3.2./有機層導(dǎo)電模式通過理論計算,超過50%的光被限制在ITO/有機層波導(dǎo)模式中,是造成光取出效率低下的主要原因.因此如何導(dǎo)出限制在ITO/有機層波導(dǎo)模式中的光成為提高取出效率的有效手段.3.2.1.優(yōu)化低:公共光出效率與譜質(zhì)材料的相互作用在ITO層和玻璃基底之間插入一低折射率層,由于低折射率物質(zhì)-ITO表面折射率改變,使得原本陷于ITO/有機層中的光可以發(fā)射出去[22,47—50].Tsutsui等人在ITO和玻璃基底之間插入一層10μm的低折射率硅氣凝膠(N~1.01—1.10),如圖6(a)所示.實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硅氣凝膠層中沒有波導(dǎo)效應(yīng),而且由于硅氣凝膠-ITO表面折射率改變,光由低折射率的硅氣凝膠層射入高折射率的玻璃基底時,也不會存在全反射,這樣原本陷于ITO/有機層波導(dǎo)模式的光可以發(fā)射出去,從而光取出效率增加了1.8倍.Forrest等人在ITO和玻璃基底之間插入低折射率方格,并得出了方格折射率和增強因子之間的關(guān)系,如圖6(b)所示.隨后他們采用優(yōu)化后的低折射率格子,外量子效率可達55%(假設(shè)內(nèi)量子效率為100%),但是會造成一定的電致光譜變化.除了硅氣凝膠外,Peng等人利用陽極氧化技術(shù)在玻璃基底上長出周期性管狀的氧化鋁.由于氧化鋁和空氣的混合造成低折射率的多孔性AAO膜,與硅氣凝膠相似,具有低折射率的性質(zhì),總光取出效率增加約50%.除此之外,因為多孔性AAO膜具備散射性質(zhì),故器件的視角也明顯改善.采用多孔性AAO膜可以保持器件外表平滑,有利于器件穩(wěn)定性.但由于AAO膜上的直孔很容易惡化而變得無序,故其光取出效率增強效果不如硅氣凝膠.3.2.2.波加工技術(shù):提高光出效率該技術(shù)主要是通過光刻等技術(shù)等把器件ITO/有機區(qū)域制成波紋形狀,如圖7所示.通過分布式反饋格子,也就是改變布拉格散射改變波導(dǎo)模式,來提高光取出效率[51—57].Matterson等人利用波紋加工技術(shù)把光取出效率提高了一倍.同理,Giannattasio等人驗證了此方法確實可以提高發(fā)光效率,并得出了采用不等角臨界面結(jié)構(gòu)可以提高光取出效率的結(jié)論.2010年Takezoe等人在前人基礎(chǔ)上通過波紋加工技術(shù),器件正面發(fā)光強度提高了近3倍.波紋加工技術(shù)除了可以提高發(fā)光效率外,還可以通過改變波紋加工分布式反饋格子的長度對發(fā)射光譜進行修飾,可以對寬光譜范圍傳播的光進行取出增強.此外該技術(shù)還有另一優(yōu)勢:柔韌性.采用石墨烯等透明電極的柔性器件已經(jīng)引起了專家學(xué)者們的廣泛興趣.但是波紋加工技術(shù)會造成圖像模糊,因而不適宜應(yīng)用到顯示器件中.而且相對來說波紋加工技術(shù)加工成本較高,并在一定程度上會影響器件的穩(wěn)定性.3.2.3.縱向輻射,出射光必須沿縱向輻射光子晶體是一種微型光學(xué)器件,利用光子晶體已成功增強了LED的效率.同理,光子晶體也可以應(yīng)用到OLED器件中[60—70].光子晶體器件提取出限制在ITO/有機層模式中的光的示意圖如圖8所示.利用光子晶體的布拉格散射來提高OLED的光取出效率[61—71].該技術(shù)主要包括以下兩種機理:其一,由于光子晶體晶格的多重散射產(chǎn)生光子禁帶,光子禁帶的存在限制了頻率落在其中的橫向模式在半導(dǎo)體中的傳播,致使出射光只能沿縱向輻射出來;其二,將光子晶體作為表面光柵使用,將波導(dǎo)光提取出來.Do等人利用SiO2(n=1.48)與SiNx(n=1.95)在基底和ITO之間制作二維的光子晶體,光取出效率提高了38%,而且驅(qū)動電壓降低(作者解釋由于SiO2/SiNx造成表面粗糙,故接觸面積大,電荷較容易注入造成光電性能的改善).接著2005年Do采用n=1.45的SiO2和n=1.95的SixNy材料制作光子晶體,在晶格常數(shù)為350nm,直徑為133nm,深度為350nm的情況下,光取出效率提高了60%.2006年,Go等在ITO和光子晶體之間插入一SiNx膜,由于微腔效應(yīng),相對于傳統(tǒng)器件,光取出效率提高了85%.2009年Li等人采用一維光子晶體作為頂發(fā)射器件陽極,相對傳統(tǒng)底發(fā)射器件提高了2倍.2010年P(guān)ate等人證明了通過調(diào)整光子晶體的位置可以更好的提高光取出效率.光子晶體的制作方法較多,遺憾的是目前由于實驗條件難以控制和成本高等還無法做到量產(chǎn).由于刻蝕深度和占空比也會影響器件的取出效率,故光子晶體在提高光取出效率上仍有很大的發(fā)展空間.2009年P(guān)hilipsLumileds的科學(xué)家宣布制造出號稱至今光取出效率最高的光子晶體發(fā)光二極管,其光提取率高達73%,相信在不久將來光子晶體技術(shù)在增強OLED效率上會有更大的突破.3.3.頂航天器件中的微腔效應(yīng)已有很多研究小組證明了在OLED器件中加入合理設(shè)計的微腔可以提高光取出效率[71—95].事實上,微腔類似于激光器的諧振腔,相對于OLED,就是在玻璃基底和ITO之間多了一個由多層介質(zhì)膜構(gòu)成的布拉格反射鏡(DBR).一個典型的微腔器件一般為反射鏡/發(fā)光物質(zhì)/反射鏡,由于金屬鏡的透射率普遍不高(最高不過96%),因此光學(xué)微腔一般采用DBR結(jié)構(gòu)(其反射率可達99.9%).存在微腔時,由于場的重新分布以及腔對分子激發(fā)態(tài)傳輸?shù)挠绊?改變了激子的壽命以及量子效率,導(dǎo)致了正面發(fā)光的增強.目前已證明微腔可以窄化光譜,提高發(fā)光強度[78—84].在頂發(fā)射器件中,由于光不是從基底側(cè)射出,因此沒有基底波導(dǎo)效應(yīng),而且頂發(fā)射器件中微腔效應(yīng)比較明顯,所以微腔共振技術(shù)目前大部分應(yīng)用在頂發(fā)射器件中.Jordan等人采用微腔結(jié)構(gòu),證明微共振腔器件在單一角度的增強可以達到4倍,積分所有角度后的凈增強接近2倍.Zhang等人討論了采用不同金屬材料作為電極對微腔效應(yīng)的影響,為后續(xù)微腔設(shè)計提供了很大的幫助.Leo等按照P-I-N摻雜概念設(shè)計微腔器件,效率提高了2.3倍.Cho等人設(shè)計了兩微腔串聯(lián)器件(如圖9所示),器件亮度提高了5倍.對微腔優(yōu)化后,電流效率提高了65%,取出效率提高了35%,在140°視角內(nèi)無顏色失真.本課題組Chen等人分別使用金屬Sm/Ag和有機層2,9-二甲基-4,7-二苯基-9,10-菲咯啉(BCP)作為半透明陰極和光輸出耦合層制作了頂發(fā)射器件,通過調(diào)整微腔效應(yīng),光取出效率提高了1.6倍,并證明解釋了器件的最佳亮度、效率等性能并非在陰極獲得最高透射率處實現(xiàn),而是位于最高和最低透射率之間的某個位置處.2009年Wu等在以ZnS作為輸出耦合層的基礎(chǔ)上,添加一擴散層,相對傳統(tǒng)底發(fā)射器件效率調(diào)高了2.1倍.Lim等人把微腔共振和微透鏡技術(shù)結(jié)合起來,不僅光取出效率提高了1.8倍,而且電學(xué)特性有了很大提高,為后續(xù)多種光取出技術(shù)兼容到一個器件中打下了基礎(chǔ).微腔效應(yīng)可以使OLED的光強峰值得到很大的提高,并能使其光譜寬度得到較大程度的窄化,從而使整個器件的外量子效率得到較大程度的提高,并可以得到單色性很好的發(fā)光.這正是微腔OLED器件得到業(yè)界廣泛關(guān)注的原因所在.2007年12月份上市的索尼(Sony)公司的11英寸OLED“XEL-1”電視即采用頂發(fā)射+彩色濾光片+微腔結(jié)構(gòu).這款產(chǎn)品的上市也開啟了OLED電視的新紀元,成為有機半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的強大推動力,邁出了在提出概念20年之后走向產(chǎn)業(yè)化的堅實的第一步.4.器件光出效率的研究展望關(guān)于多種OLED光取出技術(shù)的對比研究如表1所示.從表1中可以看出每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點和缺點.在實際應(yīng)用中,我們可以根據(jù)具體情況,對OLED器件結(jié)構(gòu)選擇不同的修飾技術(shù).例如,想制