微腔效应下有机LED器件光谱调节机制

陈欣平 厉强 陈亮

摘 要：通过实验我们制备了基于Alq3的顶发射型微腔器件，通过优化两端电极结构，得到顶发射器件的电致发光谱的半峰宽降低到40nm，与基于Alq3的传统底发射器件相比窄化了68nm。为了进一步提高器件效率，论文针对于绿光有机LED器件，还提出了相应的有效腔长和发光层距离低端电极的距离。

关键词：顶发射；有机电致发光；微腔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.116

0 前言

由于微腔效应，因顶发射有机电致发光器件中电致发光的发光材料所发射光谱受到调制。为此，当发光材料的EL譜与微腔谐振波长相匹配时，其自发辐射得到增强，如果EL谱峰值波长与微腔的谐振波长不相匹配，则发光材料的自发辐射受到抑制，导致效率较低。不管怎么样，微腔结构在顶发射型有机电致发光器件中具有重要影响。为此，器件结构设计需要考虑到微腔效应。目前在顶发射有机微腔电致发光器件中，一般具有两种形式的微腔结构。一种微腔结构中反射镜是由两个金属镜面构成，一个是全反射镜，一个是半透明的半反射镜。另一种结构是以周期性的四分之一波长堆叠构成布喇格反射镜（DBR）来作为半反射镜，金属作为全反射镜。本论文针对基于双金属电极构成的FB微腔结构有机LED器件光谱优化进行了研究，为器件制备获得高质量出射光谱提供借鉴思路。

1 实验

本文所制备的顶发射器件，顶部光出射端采用用半透明的金属阴极LiF（1nm）/Al（1nm）/（Ag20nm）作为半反射镜，底部全反射电极采用100nm厚的Ag。发光层在上下两个镜面间，器件总厚度为110nm处于波长量级。器件的结构如图1所示。其中，NPB作为器件中空穴传输层和电子阻挡层，Alq为电子传输层，m-MTDATA作为空穴注入层提高Ag电极的载流子注入效率。硅片表面生长10nmSiO2层作为绝缘层，样品在制备金属电极之前按照标准清洗工艺进行清洗，然后金属蒸发室内生长70nm的银作低端阳极。生长有金属电极的硅片放到多源有机分子气相沉积系统中，按照原来设计的器件结构依次生长m-MTDATA、NPB、Alq3以及LiF，此后样品再置于金属生长区生长1nm Al和20nm Ag作为半透明阴极。

2 结果与分析

图2为归一化后传统底发射器件的发光光谱、根据微腔效应计算得到的发射光谱、以及通过器件实测得到的发光光谱。通过归一化光谱比对可以明显发现传统的相同有机层结构的底发光器件发光光谱的半峰宽为108nm，峰值处在528nm，实测得到的顶发射器件电致发光光谱半峰宽仅为40nm，峰值处在512nm，产生显著的蓝移现象。相较于传统底发射器件而言，实测顶发射器件的发光光谱半峰宽窄化了68nm。我们知道微腔结构中激发光谱的波长与微腔中各层光学厚度以及端反射面之间符合以下公式[1]：

（1）

其中，，为微腔中各层有机材料的折射率和物理厚度，为微腔最终出射的激发波长。、为顶发射有机电致发光器件中与金属电极相连的有机材料与反射金属电极之间的反射相移。当光传播方向与反射端面垂直时，界面的反射相移满足下式：

（2）

其中，，分别为反射金属材料复折射率的虚部和实部，也就是消光系数和折射率，为与金属接触的有机材料的折射率。

具有微腔结构的器件的电致发光谱则通过下式计算得到：

（3）

其中，为低端全反射Ag电极的反射率，本文中取0.9， 为顶端半透明电极的反射率，本文中取0.4。式中为发光层中激子距离低端全反射电极的距离。考虑到Alq3激子的扩散长度为15nm，假设发光激子层在距NPB/Alq界面15nm处，那么取75nm。通过图2的比对发现理论计算与实测顶发射有机电致发光器件的光谱相接近。

理论计算与实际的电致发光谱之间存在偏差的主要原因在于，实际顶发射器件电致发光光谱的峰值处在512nm，半峰宽为40nm；计算光谱的波峰为520nm，半峰宽为48nm；由于Alq激子的扩散长度是一个平均值，所以每个激子复合发光的位置同底电极的距离并不一致。本文的计算采用的单一发光激子薄层，从而导致计算结果和实际产生误差。

3 结论

通过增加底端金属电极的厚度，顶发射型器件具有明显的微腔效应。与传统底发射型器件相比光谱半峰宽达到了40nm。理论计算结果与实测绿光的顶发射型有机发光器件光谱相接近，符合微腔结构光谱激发特性。两者之间的偏差在于理论计算对于连续厚度的激子发射层近似为单层激子发射层。

参考文献：

[1]Aleksandra B.Djurisic，Aleksandar D.Rakic，Organic microcavity light-emitting diodes with metal mirrors： dependence of the emission wavelength on the viewing angle[J].APPLIED OPTICS，2002（41）：7650.