基于表面等離子體激元-微腔效應(yīng)的OLED光提取技術(shù)研究.pdf

1、經(jīng)過三十年的研究和發(fā)展，OLED（Organic Light Emitting Diodes，有機發(fā)光二極管）逐漸由基礎(chǔ)研究走向應(yīng)用，但離大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離。本論文著眼于OLED出光效率的增強，進行了理論和實驗的探索。本研究主要內(nèi)容包括：
　　第一章：簡述了OLED研究的發(fā)展歷史及重要的應(yīng)用前景，介紹了OLED的器件物理基礎(chǔ)問題、目前OLED器件研究中存在的問題和改善OLED發(fā)光效率的方法、頂發(fā)射OLED器件及透明OLED器

2、件的重要應(yīng)用及研究熱點問題等。
　　第二章：主要研究OLED中近場激子輻射產(chǎn)生損耗的機理，重點闡述了SPPs（SurfacePlasmon Polaritons，表面等離子體激元）損耗的特點，對能量損耗被恢復的可能性進行實驗研究。首先，通過表面等離子激元的經(jīng)典推導過程，對遠場光在單一界面上和介質(zhì)/金屬薄膜/介質(zhì)（DMD）結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生SPPs的本質(zhì)、產(chǎn)生原因、激發(fā)方法等進行理論研究。同時提出，因為近場區(qū)域輻射場包括了所有的波矢，所以O(shè)

3、LED中的激子近場輻射能引起金屬電極上的SPPs。SPPs是一種損耗模式，在OLED中必然會降低器件發(fā)光效率。其次，對光致發(fā)光近場偶極子輻射與金屬表面相互耦合作用進行實驗研究。采用介質(zhì)覆蓋一定厚度的半透明金屬薄膜另一側(cè)出光面表面（這里采用甘油粘連半圓PMMA透鏡的方法）來研究近場光中損耗到SPP中的能量在金屬薄膜兩側(cè)的耦合問題。我們發(fā)現(xiàn)，近場光中損耗到SPP中的能量可以被有效地從金屬薄膜的一邊耦合到另一邊，并通過透鏡形成增強的出射光。該

4、耦合效應(yīng)可以應(yīng)用在金屬薄膜作為半透明電極的頂發(fā)射器件中用來增強OLED光對金屬薄膜電極的穿透效率從而增強出光效率。采用光柵結(jié)構(gòu)金屬薄膜配以有機覆蓋層對近場發(fā)光增透的光譜角度特性進行實驗研究，結(jié)果表明，損耗到SPP中的能量的確被耦合散射出來；覆蓋層的厚度存在一個優(yōu)化值。最后，根據(jù)CPS（R.R.Chance，A.Prock，R.Silbey）理論，研究OLED中的光學損耗，包括SPPs、波導效應(yīng)、內(nèi)全反射等，重點研究SPPs損耗及其來源的

5、物理機制。對底發(fā)射器件的仿真計算分析和實驗研究表明，SPPs損耗的比例相當大，這是目前OLED器件外量子效率低下的一個重要原因。SPPs損耗的來源，歸根到底是來源于金屬材料負的介電常數(shù)。原則上可以通過調(diào)整發(fā)光層厚度，使SPP損耗降到最低并且兼顧其他損耗也得到優(yōu)化。實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢一致。對SPP損耗機理的研究，為增強OLED發(fā)光效率提供了理論依據(jù)。
　　第三章：采用了制造成本相對低廉的納米壓印工藝制備微結(jié)構(gòu)的方法在底發(fā)射

6、器件中引入光柵結(jié)構(gòu)，主要觀察在光柵結(jié)構(gòu)反射金屬Ag陰極內(nèi)表面引入光柵后對器件效率的影響，并研究光譜角度特性和偏振特性，對出現(xiàn)的現(xiàn)象進行理論分析。測試結(jié)果表明，相對于平面結(jié)構(gòu)器件，反射陰極金屬Ag光柵結(jié)構(gòu)底發(fā)射OLED器件的電流效率得到了增強。通過角度依賴特性和偏振特性測試，我們發(fā)現(xiàn)電流效率增加了24％，10%歸因于SPPs能量恢復，14%歸因于波導損耗能量恢復。效率的增加是由于微結(jié)構(gòu)對SPPs的Bragg散射作用降低了波矢量從而恢復出光

7、，同時也減少了波導能量損耗。該納米壓印軟模板制備光柵結(jié)構(gòu)OLED的制程非常簡單，效率得到增強。
　　第四章：采用層疊Al/Ag電極作為頂發(fā)射OLED器件的陽極，來研究它對OLED器件制備中銀作陽極非常容易短路的問題的克服及原因；并采用Al作陽極制備器件進行比較研究。對頂發(fā)射器件中存在的微腔效應(yīng)采用薄膜光學傳輸矩陣方法、光學腔增益理論進行一系列理論仿真，并進行器件制備。對出光光譜形態(tài)，出光角度特性進行測試研究。該方法解決了OLED器

8、件研究中銀作陽極容易短路的棘手問題；同時指出，Ag膜對玻璃表面的浸潤差，造成表面形態(tài)粗糙，引起尖端放電導致器件短路失效；Al膜對玻璃表面浸潤良好。層疊Al/Ag電極能夠解決短路問題，是由于銀在鋁表面的浸潤性能良好，導致其結(jié)晶狀態(tài)優(yōu)異，薄膜形貌非常平滑，從而克服了尖端放電導致的短路現(xiàn)象。相對于鋁作陽極的器件而言，層疊鋁銀電極的反射率高，其制備的器件性能得到了提升。
　　第五章：對頂發(fā)射半透明金屬陰極出光面采用有機介質(zhì)覆蓋層來增強器件

9、效率進行理論計算仿真和實驗研究、優(yōu)化覆蓋層厚度，并與無覆蓋層器件進行比較。制備不同光色的器件來進行比較研究，測試包括器件效率、出光光譜形態(tài)、出光角度特性、出光偏振特性等。結(jié)合光學薄膜理論和電偶極近場輻射理論，進行理論分析。當金屬陰極兩側(cè)介質(zhì)的有效介電常數(shù)最匹配的時候量子效率達到最大值。結(jié)合電偶極近場輻射理論，基于功率耗散譜和功率耗散圖，通過數(shù)值計算仿真，我們解釋了器件量子效率增強源于4個因素：增加的陰極金屬透光率、變化的微腔增益、金屬陰

10、極兩側(cè)表面等離子體耦合、粗糙表面對SPPs的散射。該方法制程簡單易行，成本低廉，對顯示應(yīng)用的商業(yè)化生產(chǎn)非常重要。采用陰極金屬覆蓋層和低反射金屬Sm作為半透明金屬陰極內(nèi)嵌層，能使器件出光角度特性得到改善。
　　第六章：考慮制備成本方面的因素，我們采用在襯底上形成光柵結(jié)構(gòu)然后在此之上制備光柵結(jié)構(gòu)的頂發(fā)射OLED器件來研究它對器件出光特性的影響及機理。測試包括器件效率、出光光譜形態(tài)、出光角度特性、偏振特性等。結(jié)合光學薄膜理論和電偶極近場

11、輻射理論，進行理論分析。測試結(jié)果表明，器件的整體發(fā)光效率不但沒有增加，反而下降了；只有在采用比較厚的透射金屬Ag電極時，器件效率有些微的增加，但此時發(fā)光效率的絕對值已經(jīng)非常低，并沒有實際應(yīng)用價值。這是因為，盡管采用光柵結(jié)構(gòu)可以將部分近場損耗的SPP和波導能量恢復出來，但此時微腔效應(yīng)不能有效形成，所以整體效果反而下降。角度譜測試和偏振譜測試都表明，SPP能量的確被部分恢復出來了；實驗測試證明，盡管整體發(fā)光效率沒有增加，但光柵結(jié)構(gòu)可以使出光

12、效率增加。對不同發(fā)光波長的OLED出光增強的影響因素有兩個：光柵的周期和衍射效率（決定于光柵的槽深）。進一步的討論認為，還有另外一個因素也制約了器件效率增加。近場光出光時與光柵結(jié)構(gòu)陰極金屬膜上下表面相互作用時存在的相位差，使出光發(fā)生了部分相消作用。但無論是平面器件還是光柵器件，在存在覆蓋層的情形下，器件出光效率都得到了增強，說明上下表面等離子體發(fā)生了有效耦合。
　　第七章：由于銀作玻璃襯底上半透明陽極容易造成OLED器件短路，采用