光學(xué)微腔調(diào)節(jié)頂發(fā)射單色綠光OLED微顯示器件色純度研究

秦國(guó)輝，于曉輝,2，錢(qián)福麗，段 瑜,2，楊啟鳴，芶國(guó)汝

〈材料與器件〉

光學(xué)微腔調(diào)節(jié)頂發(fā)射單色綠光OLED微顯示器件色純度研究

秦國(guó)輝1，于曉輝1,2，錢(qián)福麗1，段 瑜1,2，楊啟鳴1，芶國(guó)汝1

（1.云南北方奧雷德光電科技股份有限公司，云南 昆明 650223；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

有機(jī)電致發(fā)光器件的發(fā)光顏色與色純度在很大程度上受限于有機(jī)材料本身特性，而通過(guò)光學(xué)微腔效應(yīng)可以從器件結(jié)構(gòu)的改變來(lái)進(jìn)行色純度的調(diào)節(jié)。本文介紹了一種通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)結(jié)構(gòu)中空穴傳輸層和電子阻擋層厚度，從而改變器件微腔腔長(zhǎng)，獲得高純度頂發(fā)射單色發(fā)光器件的方法。利用這種方法制作的有機(jī)頂發(fā)射綠色磷光器件結(jié)構(gòu)為Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm,3%)/NPB(nm)/ TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/ Bphen:Liq(30nm,40% )/Mg:Ag(12nm,10%)/Alq3(35nm)，改變NPB和TCTA的厚度，獲得了高色純度發(fā)光器件，正向出射綠光的色坐標(biāo)達(dá)到(0.2092，0.7167)，接近標(biāo)準(zhǔn)綠光(0.21, 0.71)。

OLED微顯示器；綠光；色純度；光學(xué)微腔

0 引言

有機(jī)電致發(fā)光器件（Organic Light Emitting Device，OLED）具有發(fā)光亮度高、響應(yīng)時(shí)間短、可視范圍大和可柔性化等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“夢(mèng)幻般的顯示器”，被視為液晶顯示后的下一代主流顯示器，并初步應(yīng)用于裝飾和室內(nèi)照明[1-6]。近年來(lái)，高性能頂發(fā)射器件逐漸成為研究熱點(diǎn)，諸多科研工作者投身于實(shí)現(xiàn)高性能器件的研究中，目前主要從兩個(gè)方面入手：一是新材料的研發(fā)，如新型有機(jī)發(fā)光分子材料[7]；二是新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)，如超薄結(jié)構(gòu)[8]、量子阱結(jié)構(gòu)[9]和和微腔結(jié)構(gòu)[10]等。在微腔結(jié)構(gòu)方面，主要是通過(guò)理論計(jì)算改變有機(jī)結(jié)構(gòu)層厚度，進(jìn)而調(diào)節(jié)器件的微腔長(zhǎng)度，獲得不同模數(shù)的微腔，使器件處于不同微腔加強(qiáng)區(qū)，從而提升器件性能。

光學(xué)微腔是一種光學(xué)微型諧振腔，尺寸在光波長(zhǎng)量級(jí)。有機(jī)微腔電致發(fā)光器件最早是日本九州大學(xué)在1993年完成的[11]。當(dāng)前關(guān)于有機(jī)微腔發(fā)光的大部分研究致力于提升器件效率[12-14]，而對(duì)具有微腔效應(yīng)頂發(fā)射器件的色純度及穩(wěn)定性的研究存在不足。因此，本文在現(xiàn)有器件研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入二階微腔結(jié)構(gòu)[15-16]，制備了一系列頂發(fā)射微型器件，驗(yàn)證二階微腔長(zhǎng)度范圍內(nèi)器件的光電性能，最終獲得優(yōu)化后的穩(wěn)定綠光頂發(fā)射器件，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)綠光顯示。

1 實(shí)驗(yàn)

本文所制備的頂發(fā)射器件，微腔結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)單的FP（Fabry-Perot）微腔結(jié)構(gòu)[17-19]，底部全反射電極采用Ag，頂部光出射端采用半透明的金屬陰極Mg/Ag作為半反射鏡。器件各膜層通過(guò)蒸鍍?cè)O(shè)備依次完成，主要膜層及所用材料見(jiàn)表1，其中陽(yáng)極為ITO，空穴注入層（Hole Injection Layer, HIL）為有機(jī)材料F16CuPc和NPB，F(xiàn)16CuPc為摻雜料；空穴傳輸層（Hole Transport Layer, HTL）為有機(jī)材料NPB；電子阻擋層（Electron Blocking Layer, EBL）為有機(jī)材料TCTA；有機(jī)發(fā)光層（Emitting Layer, EML）為有機(jī)材料mCP和Ir(ppy)3，mCP為綠色發(fā)光基質(zhì)，Ir(ppy)3摻雜料；電子傳輸層（Electron Transport Layer, ETL）為有機(jī)材料Bphen和Liq，Liq為摻雜料；光輸出耦合層（Capping Layer, CPL）為有機(jī)材料Alq3。器件中涉及的有機(jī)材料分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該器件采用云南北方奧雷德光電股份有限公司開(kāi)發(fā)的硅基CMOS基板作為器件襯底，依次蒸鍍各層有機(jī)材料，蒸發(fā)速率保持在0.1nm/s，真空度保持在2×10－4Pa。器件的亮度及光譜通過(guò)PR-655測(cè)量，電流和電壓采用搭載Keithley 2400測(cè)試儀的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

表1 器件主要膜層及所用材料

2 結(jié)果討論

2.1 微腔長(zhǎng)度對(duì)色純度影響

一般來(lái)說(shuō)，頂發(fā)射器件都存在微腔效應(yīng)，器件發(fā)出的光譜強(qiáng)度()如式(1)[20]：

式中：f為全反射鏡的反射率；h為半透明反射鏡的反射率；0()為自由空間的光譜強(qiáng)度；為器件微腔光學(xué)長(zhǎng)度；為全反射鏡與有機(jī)發(fā)光層之間的距離。其中，微腔的光學(xué)長(zhǎng)度計(jì)算式為：

式中：mm分別為有機(jī)材料的折射率和厚度；ITO、ITO分別為ITO的折射率和厚度；（1, 2, 3, 4, …）是發(fā)射模的模（階）數(shù)；是模（階）數(shù)為的共振發(fā)射波長(zhǎng)；()為光在有機(jī)界面/金屬鏡面之間的相移，為陽(yáng)極/有機(jī)界面或陰極/有機(jī)界面。由式(1)、(2)可知，通過(guò)調(diào)節(jié)有機(jī)材料膜層厚度，可以改變器件微腔長(zhǎng)度，使腔模的位置產(chǎn)生移動(dòng)，從而改變微腔器件的出射光波長(zhǎng)。為了使器件微腔的諧振波長(zhǎng)與發(fā)光層電致發(fā)光譜的峰值波長(zhǎng)相匹配以實(shí)現(xiàn)增益，利用公式(2)計(jì)算得到一階腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的有機(jī)層總厚度約為100nm，二階腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的有機(jī)層總厚度約為250nm。

通過(guò)調(diào)整空穴傳輸層和電子阻擋層厚度，實(shí)驗(yàn)中制作了5種不同微腔長(zhǎng)度的器件A～E，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)為：Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm, 3%)/NPB(nm)/TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/ Bphen:Liq(30nm,40% )/ Mg/Ag(12nm )/Alq3(35nm)，表示空穴傳輸層（NPB）的膜層厚度，表示電子阻擋層（TCTA）的膜層厚度。其中分別為30、30、60、20、120，分別為20、15、20、15、40，器件有機(jī)層厚度依次為130nm、125nm、160nm、115nm、240nm。

圖2 5種不同微腔長(zhǎng)度器件結(jié)構(gòu)圖

圖3為不同腔長(zhǎng)器件EL光譜。器件A、B、C、D在524nm處有一強(qiáng)峰，556nm、552nm、560nm、560nm處出現(xiàn)一弱峰，器件E為520nm處唯一單峰。從圖中可以看出，器件C→A→B→D→E長(zhǎng)波一側(cè)出現(xiàn)明顯的窄化趨勢(shì)，向短波一側(cè)移動(dòng)，出現(xiàn)藍(lán)移，560nm處的肩峰逐漸減弱至消失。這一現(xiàn)象是器件微腔效應(yīng)導(dǎo)致的，根據(jù)腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，腔內(nèi)光場(chǎng)的模式密度受到調(diào)制，在諧振波長(zhǎng)處得到增強(qiáng)，而在其他波長(zhǎng)處的受到抑制，光譜得到窄化[21]。微腔效應(yīng)的強(qiáng)弱常通過(guò)半高寬（FWHM,full width at half maximum）來(lái)衡量，計(jì)算得到器件C→A→B→D→E半高寬從84nm減小到33nm，微腔效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

不同腔長(zhǎng)器件的發(fā)光性能如表2所示。在A～E中，D在亮度、電流效率與外量子效率等方面表現(xiàn)較佳，B次之，C表現(xiàn)最差，而E色坐標(biāo)偏移最小。這主要是因?yàn)?，D位于一階加強(qiáng)區(qū)，E位于二階加強(qiáng)區(qū)，C遠(yuǎn)離加強(qiáng)區(qū)?？梢钥闯?，當(dāng)器件腔長(zhǎng)位于一階加強(qiáng)區(qū)時(shí)，器件的光電效率會(huì)得到加強(qiáng)；當(dāng)位于二階加強(qiáng)區(qū)時(shí)，器件效率會(huì)低于一階加強(qiáng)區(qū)[22-23]，但器件色純度明顯高于一階加強(qiáng)區(qū)，說(shuō)明處于二階加強(qiáng)區(qū)對(duì)器件的色純度有顯著的提升作用。

通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，制作得到的器件色坐標(biāo)都具有很好的穩(wěn)定性，如圖4所示。A～E色坐標(biāo)CIE，CIE在低電壓階段經(jīng)過(guò)短暫上升，電壓達(dá)到2.8V后，色坐標(biāo)保持平穩(wěn)。從整個(gè)變化情況來(lái)看，器件E色坐標(biāo)出現(xiàn)了明顯的突變，CIE驟降到0.2左右，CIE驟升到0.71左右，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是器件A～D分別在556nm、552nm、560nm、560nm處存在一弱峰，導(dǎo)致色坐標(biāo)產(chǎn)生偏離，發(fā)光時(shí)表現(xiàn)出黃綠光，而器件E為唯一單峰，在器件正常啟亮后就表現(xiàn)出近乎接近標(biāo)準(zhǔn)綠光(0.21,0.71)顯示，如圖4(c)所示。這一結(jié)果也再次表明微腔長(zhǎng)度處于二階加強(qiáng)區(qū)，對(duì)器件發(fā)光色純度有明顯的提升作用。

圖3 不同腔長(zhǎng)器件EL光譜

表2 不同腔長(zhǎng)器件的光電特性

2.2 空穴傳輸層和電子阻擋層厚度對(duì)腔長(zhǎng)影響

前述結(jié)果表明，當(dāng)器件微腔長(zhǎng)度位于二階加強(qiáng)區(qū)時(shí)，器件的色純度會(huì)得到明顯提升。為了驗(yàn)證器件處于二階加強(qiáng)區(qū)時(shí)，空穴傳輸層和電子阻擋層厚度是否對(duì)微腔長(zhǎng)度改變起同等作用，制作了器件E1。在其他條件保持不變的情況下，空穴傳輸層厚度為40nm，電子阻擋層厚度為120nm。從表3可以看出，E、E1在亮度、電流效率、外量子效率等性能方面表現(xiàn)相當(dāng)，差異很小。通過(guò)光譜圖（圖5）和色坐標(biāo)（圖6）也可以看出，兩者EL光譜基本重合，且CIE、CIE未發(fā)生較大改變。這一結(jié)果表明，空穴傳輸層與電子傳輸層厚度在微腔長(zhǎng)度改變中作用相同，均能有效調(diào)節(jié)色純度。

圖4 不同腔長(zhǎng)器件色坐標(biāo)變化

表3 不同HTL&EBL厚度器件的光電特性

圖5 不同HTL&EBL厚度器件EL光譜

圖6 HTL&EBL厚度對(duì)色坐標(biāo)影響

3 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)為Si Substrate/Ag/ITO/ NPB:F16CuPc(10nm, 3%)/NPB(nm)/TCTA(nm)/ mCP:Ir(ppy)3(40nm,6%)/Bphen:Liq(30nm,40%)/ Mg/ Ag(12nm)/Alq3(35nm)的頂發(fā)射綠光器件，通過(guò)調(diào)節(jié)器件空穴傳輸層和電子阻擋層的厚度使器件處于第二階微腔加強(qiáng)區(qū)，可以使光譜明顯窄化，器件色純度得到極大提升，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，空穴傳輸層與電子阻擋層在微腔長(zhǎng)度改變中作用相同，均能有效調(diào)節(jié)色純度。器件在腔長(zhǎng)為240nm時(shí)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高色純度綠光顯示，正向出射綠光的色坐標(biāo)達(dá)到了(0.2092，0.7167)，接近標(biāo)準(zhǔn)綠光(0.21, 0.71)，該結(jié)果對(duì)二階腔長(zhǎng)綠光器件的應(yīng)用有較好的參考意義。

[1] 段煉, 邱勇. 有機(jī)發(fā)光材料與器件研究進(jìn)展[J].材料研究學(xué)報(bào), 2015, 29(5): 321-336.

DUAN Lian, QIU Yong. Recent advances in organic electroluminescent materials and devices[J]., 2015, 29(5): 321-336.

[2] CHENG Tianyou, LEE Jiunhaw, CHEN Chiahsum, et al. Carrier transport and recombination mechanism in blue phosphorescent organic light-emitting diode with hosts consisting of Cabazole- and Triazole-Moiety[J]., 2019, 9(1): 3612-3654.

[3] LEE Jaejin, LI Peicheng, KUNG Haoting, et al. Highly efficient top-emission organic light-emitting diode on an oxidized aluminum anode[J]., 2019, 125(14): 145501.

[4] SIM Y, LEE H, JUNG H, et al. Hybrid white organic light emitting diodes using dual core blue fluorescent emitter [J]., 2019, 19(2): 1141-1144.

[5] Thomschke M, Nitsche R, Furno M, et al. Optimized efficiency and angular emission characteristics of white top-emitting organic electroluminescent diodes [J]., 2009, 94(8): 83303.

[6] 林雯嫣, 陳寧, 吳志軍, 等. 基于B3PyMPM:Cs 高效疊層OLED 器件的制備[J].光子學(xué)報(bào), 2020, 49(1): 0123003.

LIN Wenyan, CHEN Ning, WU Zhijun, et al. Preparation of highly-efficient tandem OLED based on B3PyMPM∶Cs[J]., 2020, 49(1):0123003.

[7] Uoyama H, Goushi K, Shizu K, et al. Highly efficient organic light-emitting diodes from delayed fluorescence [J]., 2012, 492(7428): 234-238.

[8] ZHAO Yongbiao, CHEN Jiangshan, MA Dongge. Ultrathin nondoped emissive layers for efficient and simple monochrome and white organic Light-Emitting diodes [J]., 2013, 5(3): 967?971.

[9] ZHAO Bo, SU Zisheng, LI Wenlian, et al. High efficient white organic light-emitting diodes based on triplet multiple quantum well structure [J]., 2012, 101(5): 053310.

[10] Nakayama T, Itoh Y, Kakuta A. Organic photo- and electroluminescent devices with double mirrors[J]., 1993, 63(5): 594-595.

[11] Takada N, Tsutsui T, Saito S. Control of emission characteristics in organic thin-film electroluminescent diodes using an optical-microcavity structure[J]., 1993, 63(15): 2032-2034.

[12] MAN J X, HE S J, SHI C S, et al. Optical design of connecting electrodes for tandem organic light-emitting diodes [J]., 2020, 45(13): 3561-3564.

[13] CHEN Shufen, ZHAO Zhenyuan, JIE Zhonghai, et al. A green top-emitting organic light-emitting device with improved luminance and efficiency [J].:, 2006, 39(17): 3738-3741.

[14] CHEN Shufen, LI Xue, XIE Wenfa, et al. Improved performances in a top-emitting green organic light-emitting device with light magnification [J]., 2008, 516(10): 3364-3367.

[15] Hofmann S, Thomschke M, Freitag P, et al. Top-emitting organic light-emitting diodes Influence of cavity design [J]., 2010, 97(25): 253308.

[16] Song Y H, Park M J, Pode R, et al. High efficiency top-emission organic light emitting diodes with second and third-order microcavity structure [J]., 2016, 5(1): R3131-R3137.

[17] Deppe D G, LEI C, LIN C C, et al. Spontaneous emission from planar microstructures[J]., 1994(41): 325-344.

[18] Thomschke M, Nitsche R, Furno M, et al. Optimized efficiency and angular emission characteristics of white top-emitting organic electroluminescent diodes[J]., 2009(94): 083303.

[19] CHO H, YUN C, YOO S. Multilayer transparent electrode for organic light-emitting diodes: tuning its optical characteristics[J]., 2010(18): 3404-3414.

[20] JI Wenyu, ZHANG Letian, ZHANG Tianyu, et al. Top-emitting white organic light-emitting devices with a one-dimensional metallic-dielectric photonic crystal anode [J]., 2009, 34(18): 2703-2705.

[21] 張春玉, 劉星元, 馬鳳英, 等. 有機(jī)微腔綠色發(fā)光二極管[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2006(1): 111-115.

ZHANG Chunyu, LIU Xingyuan, MA Fengying, et al. Organic microcavity green color light emitting diode [J]., 2006(1): 111-115.

[22] 張娟, 焦志強(qiáng), 閆華杰, 等. 微腔效應(yīng)對(duì)頂發(fā)射串聯(lián)藍(lán)光有機(jī)電致發(fā)光器件性能的影響[J].物理學(xué)報(bào), 2020, 69(9): 229-243.

ZHANG Juan, JIAO Zhiqiang, YAN Huajie, et al. Influence of microcavity effect on the performance of top emission tandem blue organic light emitting device [J]., 2020, 69(9): 229-243.

[23] MAN J X, HE S J, SHI C S, et al. Optical design of connecting electrodes for tandem organic light-emitting diodes [J]., 2020, 45(13): 3561-3564.

Improvement of Color Purity of Organic Monochromatic Green Top-emitting Micro-display Devices by Using Optical Microcavity

QIN Guohui1，YU Xiaohui1,2，QIAN Fuli1，DUAN Yu1,2，YANG Qiming1，GOU Guoru1

(1. Yunnan Olightek Opto-electronic Technology Co., Ltd., Kunming 650223, China; 2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

The color purity of organic light-emitting devices is restricted mostly by the intrinsic character of the emitting material; however, the optical microcavity can improve the color purity by changing the structure of the devices. In this study, we demonstrated that a high color purity monochromatic top-emitting device can be obtained by changing the length of the microcavity. By adjusting the thicknesses of the hole transport layer and electron barrier layer, high color purity organic green phosphorescent top-emitting electroluminescent devices were fabricated. The structure of the devices was an Si substrate/Ag/ITO/NPB:F16CuPc (10nm, 3%)/NPB (nm)/TCTA (y nm)/mCP:Ir(ppy)3(40nm, 6%)/Bphen:Liq (30nm, 40%)/Mg:Ag (12nm, 10%)/Alq3(35nm). Direct green emission with chromaticity coordinates of (0.2092, 0.7167) was obtained by changing the thicknesses of NPB and TCTA; this resulted in standard green light (0.21, 0.71).

micro-OLED, green light, color purity, optical microcavity

TN214

A

1001-8891(2022)07-0652-07

2022-04-19；

2022-06-29.

秦國(guó)輝（1987-），男，云南曲靖人，碩士，主要從事OLED器件性能測(cè)試。E-mail: qinguohui@oleid.com。

段瑜（1981-），女，云南曲靖人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士，主要從事OLED器件開(kāi)發(fā)。E-mail：duanyu@oleid.com。

云南省技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2017HB111；2018CX069SQ）。