微腔有机电致发光器件角度依赖性的模拟与实验验证

张春玉，王庆凯，秦 莉，荣 华

(1.吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林长春 130118;2.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

1 引 言

有机电致发光器件(OLED)具有效率高、重量轻、成本低、响应时间快的优点，是近年来发展非常迅速的新型平板显示器件［1-4］，也有望成为下一代高效固体照明光源［5］。但是，OLED的外量子效率远低于内量子效率，在很大程度上制约了其发展和应用。为此，人们研究了多种有效提高器件效率的光取出技术［6-8］。尺寸在光波长量级的光学微腔对腔内材料的自发发光特性有很强的修饰作用，因此，如何利用微腔来增强器件的电致发光性能成为当前OLED领域的一个研究热点［9-11］。在OLED中引入平面光学微腔已经取得了一些研究成果，如发射强度增大、光谱窄化、发光效率和色纯度提高等，但是微腔器件有角度依赖性，即随观测角不同，MOLED的电致发光强度、波长等有变化。这使得MOLED在显示上存在视角问题，而设法避免或减小该缺点，对于实现有机微腔器件的实用化是非常必要的。

现在，在微腔的角度依赖性方面已有一些研究结果［12-14］，但是却缺乏相关理论研究。本文就MOLED的角度依赖性问题进行了理论模拟计算并进行了实验验证，对造成微腔器件角度依赖性的原因进行了分析。

2 理论模拟计算

由于微腔有机电致发光器件的发光模式直接与微腔的结构相关，我们从微腔的原理出发，根据微腔器件的相关计算公式运用传输矩阵法建立模型，进行模拟计算。

我们设计了一个发光中心波长为467 nm的微腔蓝光有机电致发光器件(MOLED)，其结构为Glass/DBR/ITO(58 nm)/NPB(46 nm)/DPVBi(20 nm)/Alq3(56 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)。其中，NPB为器件的空穴传输层，DPVBi为发光层，Alq3作为电子传输层，ITO为阳极，LiF为缓冲层，Al作为阴极的同时与DBR形成一对反射腔镜。DBR由3个周期的1/4发射波长厚度的高低折射率光学介质材料组成。DBR的高折射率材料是折射率为2.05的Ta2O5，低折射率材料是折射率为1.46的SiO2，ITO的折射率为2，本身作为一层高折射率材料同时作为器件的正极。

MOLED法线方向上探测的EL谱可以用下面的公式来计算［15］:

其中z是激子到金属反射镜的距离;Rd和Rm分别为DBR和金属反射镜的反射率;L是整个微腔内的光学厚度;是自由空间的光谱强度分布，这里用的是DPVBi的荧光(PL)光谱。

有机微腔的谐振模式满足Fabry-Perot方程［16］:

其中φd和φm分别为DBR和金属反射镜的反射相移，λ是谐振波长，第三项是腔内光学厚度，ni和di为腔内各有机层薄膜的折射率和厚度，θ是外部探测角，m是模式级数。这里我们设定ni=1.79，θ由0°逐渐变化至70°。

首先，我们通过模拟计算得到MOLED在观察角度为0°～70°之间的8个反射光谱(图1)，并进行了分析比较。

图1 模拟观测角度为0°～70°的MOLED器件的反射谱Fig.1 Simulated reflection spectra of MOLED in the detection angle range from 0°to 70°

从图1可以看到，随着观测角度的增大，透射峰值逐渐蓝移，由0°的472 nm逐渐蓝移至40°的409 nm。50°和60°的透射峰值不明显，70°的透射峰值为428 nm。

表1是模拟的外部观测角(θ)与内部出射角(α)的对应关系，以及对应的发光器件反射谱峰值位置，设定内部有机层折射率为1.79，外部空气折射率为1。由表1可以看到，当内外角度均为0°时，反射谱峰值位于472 nm;当 θ为10°时，对应的α为5.57°，此时峰值位于468 nm处;当θ为70°时，α 为31.67°，对应峰值为428 nm。由折射定律可知，当α大于33.98°时，内部发射光子就不能再耦合输出了。所以对于微腔器件，也只有在外部观测角度小于70°的发光才能被探测到。

表1 外部观测角与内部出射角的对应关系Table 1 Relationship between the external detection angle and internal emitting angle

图2和图3为模拟计算得出的不同观测角度下的微腔器件在P和S偏振下的EL光谱。可以看到，随着观测角度由10°增加到70°，MOLED器件在S和P偏振下的的EL峰值都逐渐蓝移，但幅度不完全一样。S偏振下的峰值强度普遍比P偏振大，不同角度下的S和P偏振的EL峰值位置基本相同，变化规律是一样的。在30°时，S和P偏振下的EL峰值强度都最大，这是因为发光材料DPVBi的PL谱中心波长在453 nm处。

图2 观测角度由0°变化到70°时，模拟的MOLED器件在P偏振下的EL谱。Fig.2 Simulated P polarized beam EL spectrum in the detection angle range from 0°to 70°

图3 观测角度由0°变化到70°时，模拟的MOLED器件在S偏振下的EL谱。Fig.3 Simulated S polarized beam EL spectrum in the detection angle range from 0°to 70°

对模拟的光谱进行分析，得出结论认为:观测角度不同时，两个反射镜的S和P偏振下的反射率及反射相移跟着变化，腔内的有机层光学厚度在该出射角度下与垂直方向时不同，随着出射角度逐渐变大，光学厚度逐渐变小，导致EL谱的峰值蓝移且峰值强度变小。下面我们通过实验来验证这个结论。

3 实 验

我们制作了上述模拟的蓝色微腔器件。选用方块电阻为100Ω/□的Glass/DBR/ITO基片作为有微腔器件的衬底。在超净室中清洗ITO基片，依次使用加热的去离子水加洗涤剂、去离子水超声清洗，然后吹干。将ITO基片放入OLED有机多功能成膜设备中，在250 V电压下用氧等离子体处理3 min，目的是降低ITO表面的碳含量，增加ITO的氧含量，提高ITO的功函数。预处理后，分别蒸镀有机材料层、LiF和铝阴极，多功能成膜设备系统的真空度保持在4×10－4Pa，各层薄膜的沉积速率和厚度由ZMK-Ⅲ膜厚监控仪监测。发光区的面积为2 mm×2 mm。微腔器件EL谱、电流、电压特性采用由美国产的“PR705光谱扫描色度计”和Keithley-2400数字源表组成的测试系统进行测量。所有测试均在室温大气中进行。

图4为实验测得的微腔器件的EL光谱随观测角度变化的曲线。可以看到，随着探测角度由0°渐次增加到70°，EL光谱的发光峰值由472 nm蓝移到428 nm，强度逐渐减小，光谱的半峰全宽也依次变宽(由12 nm变至120 nm)，说明微腔器件有角度依赖性。同时，也观察到在30°时，即峰值位于454 nm处的峰值强度明显大于10°和20°时，这同样是因为发光材料DPVBi的荧光发光峰值位于453 nm处。这个结果与前面模拟的微腔器件的S和P偏振下EL谱的变化规律一致，并且与模拟的反射谱的透射峰位随观测角度的变化规律也相符。

图4 实验测得的微腔器件的EL谱，观测角度由0°变化到 70°。Fig.4 Experimental EL spectra in the detection angle range from 0°to 70°

4 结 论

为了分析微腔有机电致发光器件发光的角度依赖性，根据微腔计算公式，采用传输矩阵法进行了模拟计算，并进行了实验验证。对于模拟的不同观测角度下的器件的反射谱，其透射峰值与实验得到的微腔器件的EL谱峰值相对应，并随角度的增大而峰值蓝移。分析认为，这种变化是由于观测角度不同时，两个反射镜的S和P偏振下的反射率及反射相移不同，腔内的有机层光学厚度在该出射角度下与垂直方向时不同，导致了微腔长度的变化，最终导致微腔器件的发光特性发生变化。模拟计算分析和实验结果都说明了微腔器件有角度依赖性，下一步的工作将通过模拟及实验力图减小这种角度依赖性。

［1］Tang CW，Van Slyke SA.Organic electroluminescent diodes［J］.Appl.Phys.Lett.，1987，51(12):913-915.

［2］Baldo M A，Thompson M E，Forrest SR.High-efficiency fluorescentorganic light-emitting devices using a phosphorescent sensitizer［J］.Nature，2000，403:750-753.

［3］Mazzeo M，Mariano F，Genco A，et al.High efficiency ITO-free flexible white organic light-emitting diodes based on multi-cavity technology［J］.Org.Electron.，2013，14(11):2840-2846.

［4］Huang D Y，Niu P J，Li X Y.Advancement in research of encapsulation technology for OLED［J］.Microelectronics(微电子学)，2010，40(6):875-879(in Chinese).

［5］Yu X D，Wu Z Y.W-OLED lighting technology research［J］.Adv.Disp.(现代显示)，2012(11):5-7(in Chinese).

［6］Yang Y，Chen SF，Xie J，etal.Lightout-coupling progress in organic lightemitting device［J］.Acta Phys.Sinica(物理学报)，2011，60(4):047809-1-10(in Chinese).

［7］Zhou F，Zhuang X L，Shen S，et al.Directional out-coupling efficiency enhancement of OLED with microlens array films［J］.J.Optoelectron.·Laser(光电子·激光)，2010，21(10):1480-1483(in Chinese).

［8］XieW F，Xu K，Li Y，et al.High-efficiency organic photoelectric deviceswithmetal nanoparticles［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2013，34(5):535-541(in Chinese).

［9］Dodabalapur A，Rothberg L J，Jordan R H，et al.Physics and applications of organic microcavity light emitting diodes［J］.J.Appl.Phys.，1996，80(12):6954-6964.

［10］Sun X Y，LiW L，Hong Z R，et al.Improved performance of Eu complex OLEDs withmicrocavity structure［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2005，26(2):262-264(in Chinese).

［11］Zhang C Y，Qin L，Wang H J.Study on luminescence properties of red phosphorescentmicrocavity organic light-emitting devices［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2014，35(12):1464-1468(in Chinese).

［12］Tokito S，Taga Y.Microcavity organic light-emitting diodes for strongly directed pure red，green，and blue emissions［J］.Appl.Phys.，1999，86(5):2407-2411.

［13］Liu Y F，Feng J，Yin D，et al.Viewing-angle independence ofwhite emission from microcavity top-emitting organic lightemitting devices with periodically and gradually changed cavity length［J］.Org.Electron.，2013，14(6):1597-1601.

［14］Zhang CY，Lu JB，Sun C L，etal.Angle dependence ofmicrocavity organic light-emitting device［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2009，30(6):734-737(in Chinese).

［15］Deppe D G，Lei C，Lin C C，et al.Spontaneous emission from planar micrstrucyures［J］.J.Modern Opt.，1994，41(2):325-344.

［16］Jung B Y，Kim N Y，Lee C H，et al.Control of resonant wavelength from organic light-emitting materials by use of a Fabry-Perotmicrocavity structure［J］.Appl.Opt.，2002，41(16):3312-3318.