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《吉林大学》 2012年
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激光诱导微纳结构提高有机电致发光器件光取出效率的研究

白昱  
【摘要】:有机电致发光器件(OLED)有着主动发光无需背光源,响应速度快,驱动电压低,视角宽,全固态结构等优点,无论是在平板显示还是在固态照明领域都有着广阔的应用前景和市场价值。虽然近些年OLED在技术上取得了突飞猛进的发展,然而其产业化的脚步却并不像人们预测的那样乐观,究其原因主要是其效率,尤其是光取出效率太低这个问题有待于进一步解决。引入微纳结构是提高光取出效率的有效方法,但由于有机材料对水氧敏感等特性,在有机薄膜上直接制备微纳结构是一个难题。本论文采用激光双光束干涉烧蚀的方法,在OLED内部功能层引入一维及二维光栅结构,同时保证不破坏有机材料的性能。通过微纳结构参数优化,显著提高了OLED的光取出效率。主要研究工作如下: (1)利用激光双光束干涉烧蚀的方法,将一维和二维光栅微结构引入到OLED内部。首先在ITO衬底上旋涂一层PVK薄膜,然后用纳秒激光器对其进行单脉冲曝光,利用双光束干涉的方法在PVK薄膜上烧蚀出一维光栅。对于二维光栅的制备,则是在得到一维光栅的基础上,将一维光栅绕其本身平面法线旋转60°进行二次曝光,就可以得到二维光栅。利用原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对光栅形貌进行了表征的同时,对带有金属覆盖层的光栅结构也进行了表征。从AFM和SEM照片上可以看出,用这种方法所制备的一维和二维光栅形貌均匀,并且光栅结构可以完整的传递到金属覆盖层上。 (2)通过对不同功率烧蚀得到的光栅结构用AFM进行光栅深度的测量,当激光功率密度小于270mJ/cm~2时,光栅高度呈线性增长,当激光功率密度超过这个值的时候,光栅高度就趋于饱和,约为55nm。这说明在以后的实验中,可以通过控制激光功率来控制光栅深度。 (3)制作了不同周期的绿光一维光栅OLED,并进行了器件性能和角度依赖光谱的测试。当光栅器件周期为350nm时,器件的亮度和效率提升最大。当电流密度为100mA/cm~2时,350nm光栅周期器件的亮度为5100cd/m~2,最大电流效率为7.2cd/A,而同样的平板器件亮度为910cd/m~2,效率为1.8cd/A,光栅器件的亮度和效率分别获得了4.6倍和3倍的提高。通过角度依赖光谱的测试,发现在光谱中,除了Alq本身的发光峰以外还存在着其他的峰。因此,本论文着重对效率提升最大的350nm周期光栅器件做了分析。在0°时,除了ALq本身的发光峰以外,在520nm、547nm和595nm处有三个新的发光峰出现,并随着观察角度的增大而发生劈裂。 (4)通过建立散射矩阵模型对一维光栅OLED的色散曲线进行了模拟计算,并取得了和实验结果相一致的计算曲线。本论文通过对光场分布的模拟计算,发现520nm和547nm处场强最大的地方主要局限于ITO和有机层中间,而595nm处场强最大的地方是在Al/Alq的界面及沿着界面的方向。这说明了520nm及547nm处的发光峰来自于波导模式的耦合出射,595nm处的发光峰是由于表面等离子体被激发所造成的。计算结果验证了光栅微结构能够有效的将损耗于器件内部的表面等离子体以及波导模式的光耦合出射。同时,通过对其他周期的光栅OLED进行模拟分析可知,当光栅微结构激发的表面等离子体的发光峰和波导模式耦合出射的发光峰均匀分布在OLED本身的发光峰附近时,器件的亮度和效率提升最大,合理的解释了当光栅周期为350nm时器件的亮度和效率提升最大这个问题。 (5)由于二维光栅在理论上有着比一维光栅更高的表面等离子体及波导模式的耦合效率,因此又进行了红光二维光栅OLED的制备并对其进行了测试和模拟分析。本论文中制备的是350nm和400nm两种二维光栅器件并进行器件性能测试。结果表明,350nm周期光栅器件的性能依然优于400nm光栅器件。对比二维和一维的350nm红光器件,当电流密度为100mA/cm~2时,二维光栅器件的亮度和效率分别是5000cd/m~2,最大电流效率为7.3cd/A,而同样的一维光栅器件亮度为3000cd/m~2,效率为5.1cd/A,二维光栅器件的亮度和效率相对同等条件下一维光栅器件分别提高了67%和43%。当测试角度依赖光谱进行时可以发现,TM模式中表面等离子体的色散曲线在二维光栅器件中变成了四条,并且出现了一维器件中不能在TE模式下被激发出的表面等离子体的色散曲线。通过对一维光栅器件和二维光栅器件进行FDTD的建模并进行色散曲线和光场的模拟,发现二维光栅可以将一维光栅不能激发的TE模式的表面等离子体耦合出射,增大了耦合效率,进而进一步增加了OLED的光取出效率。 综上所述,利用激光双光束干涉烧蚀在OLED中引入一维和二维光栅,可以有效激发器件电极界面的表面等离子体并使被限制于波导模式的光耦合出射,极大的提高了器件的亮度和效率,对于解决OLED光取出效率低下的问题,做出了有益的探索。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TN383.1

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【参考文献】
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