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(guò)三十年的研究和發(fā)展，OLED（Organic Light Emitting Diodes，有機(jī)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(qiáng)，進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)的探索。本研究主要內(nèi)容包括：
　　第一章：簡(jiǎn)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(wèn)題、目前OLED器件研究中存在的問(wèn)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(diǎn)問(wèn)題等。
　　第二章：主要研究OLED中近場(chǎng)激子輻射產(chǎn)生損耗的機(jī)理，重點(diǎn)闡述了SPPs（SurfacePlasmon Polaritons，表面等離子體激元）損耗的特點(diǎn)，對(duì)能量損耗被恢復(fù)的可能性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先，通過(guò)表面等離子激元的經(jīng)典推導(dǎo)過(guò)程，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)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(jìn)行理論研究。同時(shí)提出，因?yàn)榻鼒?chǎng)區(qū)域輻射場(chǎng)包括了所有的波矢，所以O(shè)

3、LED中的激子近場(chǎng)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(huì)降低器件發(fā)光效率。其次，對(duì)光致發(fā)光近場(chǎng)偶極子輻射與金屬表面相互耦合作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(lái)研究近場(chǎng)光中損耗到SPP中的能量在金屬薄膜兩側(cè)的耦合問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)，近場(chǎng)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(guò)透鏡形成增強(qiáng)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(lái)增強(qiáng)OLED光對(duì)金屬薄膜電極的穿透效率從而增強(qiáng)出光效率。采用光柵結(jié)構(gòu)金屬薄膜配以有機(jī)覆蓋層對(duì)近場(chǎng)發(fā)光增透的光譜角度特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，損耗到SPP中的能量的確被耦合散射出來(lái)；覆蓋層的厚度存在一個(gè)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(xué)損耗，包括SPPs、波導(dǎo)效應(yīng)、內(nèi)全反射等，重點(diǎn)研究SPPs損耗及其來(lái)源的

5、物理機(jī)制。對(duì)底發(fā)射器件的仿真計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，SPPs損耗的比例相當(dāng)大，這是目前OLED器件外量子效率低下的一個(gè)重要原因。SPPs損耗的來(lái)源，歸根到底是來(lái)源于金屬材料負(fù)的介電常數(shù)。原則上可以通過(guò)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(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的趨勢(shì)一致。對(duì)SPP損耗機(jī)理的研究，為增強(qiáng)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(duì)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(duì)器件效率的影響，并研究光譜角度特性和偏振特性，對(duì)出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)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(qiáng)。通過(guò)角度依賴特性和偏振特性測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)電流效率增加了24％，10%歸因于SPPs能量恢復(fù)，14%歸因于波導(dǎo)損耗能量恢復(fù)。效率的增加是由于微結(jié)構(gòu)對(duì)SPPs的Bragg散射作用降低了波矢量從而恢復(fù)出光

7、，同時(shí)也減少了波導(dǎo)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(jiǎn)單，效率得到增強(qiáng)。
　　第四章：采用層疊Al/Ag電極作為頂發(fā)射OLED器件的陽(yáng)極，來(lái)研究它對(duì)OLED器件制備中銀作陽(yáng)極非常容易短路的問(wèn)題的克服及原因；并采用Al作陽(yáng)極制備器件進(jìn)行比較研究。對(duì)頂發(fā)射器件中存在的微腔效應(yīng)采用薄膜光學(xué)傳輸矩陣方法、光學(xué)腔增益理論進(jìn)行一系列理論仿真，并進(jìn)行器件制備。對(duì)出光光譜形態(tài)，出光角度特性進(jìn)行測(cè)試研究。該方法解決了OLED器

8、件研究中銀作陽(yáng)極容易短路的棘手問(wèn)題；同時(shí)指出，Ag膜對(duì)玻璃表面的浸潤(rùn)差，造成表面形態(tài)粗糙，引起尖端放電導(dǎo)致器件短路失效；Al膜對(duì)玻璃表面浸潤(rùn)良好。層疊Al/Ag電極能夠解決短路問(wèn)題，是由于銀在鋁表面的浸潤(rùn)性能良好，導(dǎo)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(dǎo)致的短路現(xiàn)象。相對(duì)于鋁作陽(yáng)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(duì)頂發(fā)射半透明金屬陰極出光面采用有機(jī)介質(zhì)覆蓋層來(lái)增強(qiáng)器件

9、效率進(jìn)行理論計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)研究、優(yōu)化覆蓋層厚度，并與無(wú)覆蓋層器件進(jìn)行比較。制備不同光色的器件來(lái)進(jìn)行比較研究，測(cè)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(xué)薄膜理論和電偶極近場(chǎng)輻射理論，進(jìn)行理論分析。當(dāng)金屬陰極兩側(cè)介質(zhì)的有效介電常數(shù)最匹配的時(shí)候量子效率達(dá)到最大值。結(jié)合電偶極近場(chǎng)輻射理論，基于功率耗散譜和功率耗散圖，通過(guò)數(shù)值計(jì)算仿真，我們解釋了器件量子效率增強(qiáng)源于4個(gè)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(duì)SPPs的散射。該方法制程簡(jiǎn)單易行，成本低廉，對(duì)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(lái)研究它對(duì)器件出光特性的影響及機(jī)理。測(cè)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(xué)薄膜理論和電偶極近場(chǎng)

11、輻射理論，進(jìn)行理論分析。測(cè)試結(jié)果表明，器件的整體發(fā)光效率不但沒(méi)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(shí)，器件效率有些微的增加，但此時(shí)發(fā)光效率的絕對(duì)值已經(jīng)非常低，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這是因?yàn)?，盡管采用光柵結(jié)構(gòu)可以將部分近場(chǎng)損耗的SPP和波導(dǎo)能量恢復(fù)出來(lái)，但此時(shí)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(cè)試和偏振譜測(cè)試都表明，SPP能量的確被部分恢復(fù)出來(lái)了；實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，盡管整體發(fā)光效率沒(méi)有增加，但光柵結(jié)構(gòu)可以使出光

12、效率增加。對(duì)不同發(fā)光波長(zhǎng)的OLED出光增強(qiáng)的影響因素有兩個(gè)：光柵的周期和衍射效率（決定于光柵的槽深）。進(jìn)一步的討論認(rèn)為，還有另外一個(gè)因素也制約了器件效率增加。近場(chǎng)光出光時(shí)與光柵結(jié)構(gòu)陰極金屬膜上下表面相互作用時(shí)存在的相位差，使出光發(fā)生了部分相消作用。但無(wú)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(qiáng)，說(shuō)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(yáng)極容易造成OLED器件短路，采用