不同微腔結(jié)構(gòu)有機(jī)電致發(fā)光器件的電致發(fā)光光譜模擬

張春玉徐海楠宋 悅

(1.吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130118；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

有機(jī)電致發(fā)光器件(OLED)也稱(chēng)為有機(jī)發(fā)光二極管，是在有機(jī)半導(dǎo)體薄膜的電致發(fā)光特性基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型固態(tài)平板顯示及照明器件。雖然OLED有輕薄、驅(qū)動(dòng)電壓低、響應(yīng)速度快等很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著一些問(wèn)題，比如大部分的有機(jī)發(fā)光材料由于較寬的發(fā)光譜帶而難以獲得好的色純度，器件的發(fā)光效率也有待進(jìn)一步提高等，這些問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)新器件結(jié)構(gòu)或者采用新材料等方法來(lái)解決[1-4]。

光學(xué)微腔是指尺寸至少有一維與光波長(zhǎng)相同量級(jí)的光學(xué)微型諧振腔。它是一種可以改變器件發(fā)光特性的光學(xué)結(jié)構(gòu)，原理是腔內(nèi)激子激發(fā)后輻射的可見(jiàn)光受到腔體的調(diào)制，腔體環(huán)境對(duì)光子有限域作用，光學(xué)微腔可以將光子長(zhǎng)時(shí)間局域在很小的空間內(nèi)，極大地增強(qiáng)光和物質(zhì)的相互作用[5-7]，可以用來(lái)調(diào)制和改善OLED的發(fā)光性能。

由于不同介質(zhì)分界面上產(chǎn)生的電磁波可以向腔外擴(kuò)散很遠(yuǎn)，因此一個(gè)光學(xué)微腔的腔體是不能把所有的光子都局限在里面的[8]。多個(gè)微腔相互接近，這種電磁波就會(huì)相互作用使每個(gè)腔中的光子分布互相影響，致使光能分布受到調(diào)制而獲得新的現(xiàn)象，這就是耦合光學(xué)微腔(Coupled optical microcavity，CMC)。按微腔耦合方式不同，可分為平面耦合腔和垂直耦合腔，本文研究平面耦合微腔。平面耦合微腔中有兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的微腔互相耦合，若兩個(gè)微腔耦合通常一個(gè)是無(wú)源腔，一個(gè)是有源腔。耦合微腔的發(fā)光層發(fā)出的光在兩個(gè)腔的光場(chǎng)耦合下引起了腔模式分裂，顯示為兩個(gè)波峰的窄化光譜，能有效地調(diào)制材料的發(fā)光性能[9]。有研究表明耦合微腔與單個(gè)微腔相比有不同的發(fā)射特性，可以用作開(kāi)發(fā)新型器件[10-11]，用在高選擇波長(zhǎng)濾波器、雙穩(wěn)態(tài)器件、多范圍光電轉(zhuǎn)換等方面。

2013年，研究人員研究了兩個(gè)耦合的波導(dǎo)型光子晶體微腔[12]，證實(shí)了兩個(gè)光子晶體波導(dǎo)微腔的強(qiáng)耦合，為研究受限在特定空間中的原子與光場(chǎng)作用和互相耦合埋下伏筆。2015年，有學(xué)者[13]研究出自發(fā)光對(duì)稱(chēng)破缺現(xiàn)象的光子晶體微腔，這也是耦合微腔的一大技術(shù)突破。2017年，北大肖云峰等[8]提出混沌輔助的光子動(dòng)量快速轉(zhuǎn)換的新原理，實(shí)現(xiàn)了超高品質(zhì)因子光學(xué)微腔和納米尺度波導(dǎo)之間高效、超寬譜的光耦合，突破了微納光學(xué)器件近場(chǎng)耦合需要相位匹配的限制，提出混沌輔助的動(dòng)量轉(zhuǎn)換機(jī)制，深入研究動(dòng)量轉(zhuǎn)換過(guò)程，并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證其在微腔寬帶光子學(xué)應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)。

最近十年，研究人員對(duì)平面微腔結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了進(jìn)一步研究[14-15]。研究表明，合理地設(shè)計(jì)微腔的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以控制發(fā)光模式和器件的發(fā)光特性，而微腔器件的模擬計(jì)算是這類(lèi)研究不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文作者及研究團(tuán)隊(duì)在微腔模擬設(shè)計(jì)研究方面做了大量工作，有很好的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。本文工作是根據(jù)平面微腔諧振原理，運(yùn)用傳輸矩陣方法建立微腔結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行合理修正。首先模擬計(jì)算出最佳的腔內(nèi)有機(jī)層厚度組合的MOLED器件，進(jìn)而模擬計(jì)算不同結(jié)構(gòu)微腔器件的反射譜和電致發(fā)光光譜(EL)，并對(duì)EL進(jìn)行比較分析。

2 平面微腔原理及相關(guān)模擬計(jì)算公式

平面光學(xué)微腔是由間距在光波長(zhǎng)量級(jí)的兩個(gè)平行平面反射鏡構(gòu)成的Fabry-Perot(F-P)諧振腔。

圖1是內(nèi)含輻射源的F-P腔結(jié)構(gòu)示意圖。E0表示自由空間電場(chǎng)強(qiáng)度，E2表示耦合輸出波的電場(chǎng)強(qiáng)度，M1是反射率為R1的背部反射鏡，一般來(lái)講，是金屬反射鏡。是 M1的綜合反射系數(shù)；M2是反射率、透射率和吸收率分別為R2、T2、A2的出射鏡，它是半反射鏡，可以由薄的金屬膜制成或者由分布式布拉格反射鏡(DBR)制成，是M2的綜合反射系數(shù)。L1是源(即激子)到鏡M1的距離；L2是源到M2的距離。L是整個(gè)腔內(nèi)的光學(xué)長(zhǎng)度，L=L1+L2。發(fā)射光譜隨波長(zhǎng)λ分布的與自由空間發(fā)射相比的發(fā)射增強(qiáng)系數(shù)(在器件法線(xiàn)方向上)由下式得到[16]：

其中，φ2和φ1分別為兩反射鏡的反射相移；k是有機(jī)層的波矢量，與波長(zhǎng)的關(guān)系為和τ0分別是腔中和自由空間中的分子激發(fā)態(tài)壽命。為簡(jiǎn)化分析，我們假定

圖1 Fabry-Perot腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fabry-Perot cavity structure

理論上垂直表面的有機(jī)微腔器件的發(fā)射光譜可以通過(guò)下面的方程計(jì)算近似而得：

其中In(λ)為發(fā)光材料在自由空間的發(fā)射光譜分布。在下面的模擬計(jì)算中我們所用的是要設(shè)計(jì)的器件中發(fā)光材料實(shí)際測(cè)得的光致發(fā)光譜(PL)。PL與發(fā)射增強(qiáng)系數(shù)相乘即得到微腔器件的有機(jī)電致發(fā)光譜(EL)，得到EL發(fā)光峰位置、峰值強(qiáng)度及光譜的半峰全寬等參數(shù)。

微腔器件從腔的一個(gè)側(cè)面(半反射鏡)發(fā)出光子的總數(shù)可以通過(guò)對(duì)其發(fā)射光譜的所有波長(zhǎng)進(jìn)行積分dλ得到。

微腔內(nèi)激子發(fā)光在諧振模式(波長(zhǎng))處因相長(zhǎng)干涉而得到加強(qiáng)。諧振模式滿(mǎn)足的條件是：光在腔內(nèi)往返一周的相位改變是2π的整數(shù)倍或光程是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即微腔的諧振模式滿(mǎn)足F-P方程：

其中，λ是諧振波長(zhǎng)；ni和di為腔內(nèi)各層薄膜的折射率和厚度，總和為L(zhǎng)，是整個(gè)腔內(nèi)的光學(xué)長(zhǎng)度；θ是外部探測(cè)角；m是模式級(jí)數(shù)，取整數(shù)。

3 模擬計(jì)算過(guò)程、結(jié)果與討論

基于前文中平面微腔原理及相關(guān)計(jì)算公式(1)～(3)，采用傳輸矩陣法進(jìn)行微腔有機(jī)電致發(fā)光器件的數(shù)值模擬計(jì)算。設(shè)計(jì)MOLED，金屬鋁電極和DBR作為F-P腔的兩個(gè)反射鏡，它們之間形成微型諧振腔，光從玻璃基板即DBR一側(cè)發(fā)出。發(fā)光層為Alq3，空穴傳輸層NPB，銦錫氧化物ITO做陽(yáng)極，DBR由光學(xué)厚度為λ/4的高低折射率材料五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化硅(SiO2)組成，周期為2.5。其中Ta2O5的折射率為2.1，SiO2的折射率為1.46。

圖2是發(fā)光材料Alq3實(shí)際測(cè)得的PL，用作相應(yīng)模擬計(jì)算參數(shù)。如圖2所示，PL的峰值位于555 nm處，半峰全寬為96 nm。

圖2 Alq3實(shí)際測(cè)得的光致發(fā)光光譜(PL)Fig.2 Measured Alq3photoluminescence spectrum(PL)

首先我們?cè)O(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)λ=540 nm，MOLED器件結(jié)構(gòu)為：Glass/DBR/ITO(134 nm)/NPB(Ynm)/Alq3(Xnm)/Al。設(shè)定總的微腔長(zhǎng)度L不變，調(diào)整 Alq3的厚度(厚度分別為 42，52，62，72，82 nm)，NPB的厚度隨之做相應(yīng)變化，也就是始終保持總腔長(zhǎng)L不變，只變動(dòng)激子位置L1，找出具有最佳發(fā)光效率的L1時(shí)Alq3的厚度值組合。

圖3是用前面的計(jì)算公式模擬計(jì)算出的MOLED(Alq3厚度分別為 42，52，62，72，82 nm)的 EL，由圖可知，5個(gè)器件的峰值均為534 nm，半峰全寬均為10 nm，這是因?yàn)槲⑶豢偟墓鈱W(xué)長(zhǎng)度L不變。但是積分面積和峰值強(qiáng)度不同，Alq3厚度為62 nm時(shí)最大，發(fā)光效率最佳，下面我們探究其原因。

圖3 模擬MOLED(Alq3厚度分別為42～82 nm)的ELFig.3 Simulated EL of MOLED(Alq3thickness 42-82 nm)

圖4 是模擬計(jì)算的λ=534 nm、Alq3的厚度依次分別為 62，72，52，82，42 nm 時(shí) MOLED 器件的微腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。由圖4可知，腔中位置不同，電場(chǎng)強(qiáng)度不同，發(fā)光激子位于圖中2層和3層的界面處，即圖中紅色箭頭處，此處對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分別為 14.8，14.1，14，12.2，12。

Alq3的厚度為62 nm時(shí)，1層與2層界面對(duì)應(yīng)的腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度值最大為14.8，該結(jié)果對(duì)應(yīng)圖3中MOLED的效率最佳EL。這是因?yàn)榘l(fā)光激子正好位于腔內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值波腹位置處，發(fā)光得到最大諧振增強(qiáng)，是性能最佳的腔內(nèi)有機(jī)發(fā)光層厚度組合。

然后我們?cè)俑鶕?jù)以上的模擬計(jì)算結(jié)果，用Alq3的厚度為62 nm這個(gè)有機(jī)層厚度組合進(jìn)行下一步的模擬計(jì)算。

把ITO看作是OLED的半反射鏡，存在弱微腔效應(yīng)，根據(jù)以上計(jì)算公式分別對(duì)OLED、MOLED和CMC進(jìn)行模擬計(jì)算，比較器件在不同微腔結(jié)構(gòu)下各自的發(fā)光性能。設(shè)計(jì)3種器件的中心波長(zhǎng)(諧振波長(zhǎng))λ=540 nm，不同微腔器件的結(jié)構(gòu)具體如下：

OLED：Glass/ITO(134 nm)/NPB(74 nm)/Alq3(62 nm)/Al；

MOLED：Glass/DBR/ITO(134 nm)/NPB(74 nm)/Alq3(62 nm)/Al；

CMC：Glass/DBR1/Filler/DBR2/ITO(134 nm)/NPB(74 nm)/Alq3(62 nm)/Al。

圖4 電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖(Alq3的厚度順次分別為62，72，52，82，42 nm)Fig.4 Distribution of electric field intensity(the thickness order of Alq3is 62，72，52，82，42 nm)

DBR1、DBR2與 MOLED中的 DBR相同。填充層Filler由SiO2組成，光學(xué)厚度λ/2。CMC的DBR1與DBR2耦合在一起，這樣器件將存在兩個(gè)腔體。DBR1/Filler/DBR2組成底部腔，底部腔為無(wú)源腔；DBR2/ITO/NPB/Alq3/Al組成頂部腔，頂部腔為有源腔。

ITO是OLED的半反射鏡，MOLED的半反射鏡是DBR，CMC的半反射鏡是 DBR1/Filler/DBR2。3種器件的半反射鏡是變量，也就是除了半反射鏡不同之外其他結(jié)構(gòu)完全相同。圖5是模擬計(jì)算的OLED、MOLED、CMC 3種器件半反射鏡的反射光譜。由圖可知，OLED的ITO半反射鏡，在450～600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射譜平直，反射率大約為10% ～5%。MOLED器件的DBR反射譜有一個(gè)從525～565 nm的截止帶寬，是高反射區(qū)域，在λ=540 nm處有最大反射率74%。CMC結(jié)構(gòu)中的底部腔鏡的反射光譜在540 nm有最小反射率3%，其兩側(cè)各有一個(gè)分別位于475～515 nm和585～615 nm的反射最大區(qū)域，反射率為90%左右。半反射鏡是唯一變量，最終模擬計(jì)算得到的3種器件的EL必然和其反射率有著重要的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 模擬OLED、MOLED、CMC半反射鏡的反射光譜。Fig.5 Simulated reflectance of semi mirror of OLED，MOLED and CMC.

圖6 為模擬的玻璃襯底一側(cè)OLED、MOLED、CMC器件的反射光譜，由圖6可以看出，OLED的反射譜是比較平直的曲線(xiàn)，在500～580 nm綠光區(qū)域的反射率為90%左右。MOLED在波長(zhǎng)534 nm處反射最小，最大透射率60%。CMC在540 nm的兩側(cè)分別有2個(gè)透射峰，位于516 nm和558 nm(反射率最小)。

圖6 模擬OLED、MOLED、CMC器件的反射光譜。Fig.6 Simulated reflectance of OLED，MOLED and CMC.

圖7 是通過(guò)模擬計(jì)算得到的OLED的EL光譜，由圖7可以看出，發(fā)光主峰值波長(zhǎng)為561 nm，還有一個(gè)肩峰，位于495 nm，整體看是跨越450～650 nm(藍(lán)、綠、紅光區(qū)域)的寬譜帶。

圖7 模擬的OLED的EL光譜Fig.7 Simulated EL spectrum of OLED

圖8 是模擬計(jì)算得到的OLED、MOLED、CMC 3種器件的EL光譜比較。由圖8可以直觀(guān)地看出，加入微腔和耦合微腔后光譜出現(xiàn)明顯的變化。MOLED的模擬光譜呈現(xiàn)出具有典型微腔效應(yīng)的峰值增強(qiáng)光譜窄化形狀，峰值位于534 nm，對(duì)應(yīng)諧振中心波長(zhǎng)540 nm，且發(fā)光都集中于綠光區(qū)域(520～550 nm)。CMC的EL出現(xiàn)兩個(gè)窄化且強(qiáng)度提高的發(fā)光峰，峰值分別位于綠光區(qū)域的520 nm和556 nm。模擬得到的MOLED和CMC光譜峰值位置都與其模擬的半反射鏡的反射率(圖5所示)最大區(qū)域相對(duì)應(yīng)，即微腔諧振模式增強(qiáng)處。

圖8 模擬的OLED、MOLED、CMC的EL曲線(xiàn)比較。Fig.8 Comparison of EL curves of simulated OLED，MOLED and CMC.

對(duì)3種器件計(jì)算得到的EL進(jìn)行具體分析，主要參數(shù)如表1所示。

MOLED的EL光譜的峰值位于534 nm，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的微腔諧振波長(zhǎng)是540 nm，同時(shí)對(duì)應(yīng)圖6中MOLED的透射峰534 nm，半峰全寬為10 nm。微腔內(nèi)光場(chǎng)的模式密度受到電場(chǎng)的調(diào)制，波長(zhǎng)在諧振波長(zhǎng)處得到增強(qiáng)，而在其他處受到抑制，導(dǎo)致了微腔的電致發(fā)光譜線(xiàn)窄化和峰值增強(qiáng)。CMC的EL譜在540 nm兩側(cè)出現(xiàn)了兩個(gè)增強(qiáng)的窄帶發(fā)射峰，波長(zhǎng)分別位于520 nm和556 nm，這與圖6中CMC的反射譜的516 nm和558 nm兩個(gè)透射峰對(duì)應(yīng)，說(shuō)明發(fā)光在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)受到耦合腔的耦合作用。CMC的積分面積最大，是OLED或MOLED的1.1倍，說(shuō)明其發(fā)光效率最高。

表1 OLED、MOLED、CMC模擬EL光譜參數(shù)比較Tab.1 Comparison of simulated EL spectral parameters of OLED，MOLED and CMC

為了比較器件的色純度，分別計(jì)算出已模擬的EL光譜的CIE色坐標(biāo)，具體計(jì)算結(jié)果為OLED：(0.395，0.503)，MOLED：(0.236，0.715)，CMC：(0.260，0.694)。 圖 9 為 OLED、MOLED、CMC的CIE色坐標(biāo)圖，由圖9可以看出MOLED的色純度最佳，最靠近純綠光區(qū)域處，CMC次之，OLED的色純度最差。

圖9 OLED、MOLED、CMC的CIE色坐標(biāo)。Fig.9 CIE color coordinate of simulated OLED，MOLED and CMC.

4 結(jié) 論

模擬計(jì)算得出了MOLED激子在腔中的最佳位置，優(yōu)化了MOLED腔內(nèi)各有機(jī)層厚度組成。模擬計(jì)算了OLED、MOLED和CMC 3種微腔結(jié)構(gòu)器件的半反射鏡的反射光譜、器件的反射光譜和EL光譜。OLED的EL光譜呈寬帶發(fā)射，MOLED的EL光譜呈窄帶發(fā)射，CMC光譜呈雙峰窄帶發(fā)射。CMC的EL光譜產(chǎn)生雙峰窄帶發(fā)射的原因在于光在光場(chǎng)中耦合引起了腔模式的分裂。計(jì)算了模擬EL的各自色坐標(biāo)。研究結(jié)果表明，微腔的引入能夠有效地提高OLED器件的色純度和發(fā)光效率。