利用共振现象的OLED结构

有机材料由于其跃迁的非均匀展开及边带振动，致使 OLED 发光光谱一般比较宽，半高宽（FWHM）通常在 100nm 以上，影响器件发光的色纯度，不利于彩色显示。  
 
      人们不断尝试采用不同的方法来解决这一问题：使用滤色镜；采用窄带发光材料；采用微腔结构。 光学微腔是把发光区置于一个全反射膜和半反射膜构成的谐振腔内，由于有机发光器件的厚度可与光波长相当，半透明复合阴极可看成半反射膜，再加上全反射阳极,因而器件具有微腔效应。

从有机发光层（EL）产生的一些光穿过半透明阴极并进入我们的眼睛，而其余的则被反射回来。   经过许多研究，以最大程度地使由金属材料制成的阴极尽可能透明，会发现光量比无条件地增加透明度释放的更多，这就是微腔效应。  

       当光的共振频率与反射光的共振频率相匹配时，比原始发射光强约1.5至2倍的强光通过阴极。   想理解微腔效应，我们就得先了解以下它的基础原理—共振。

共振现象

当然，共振原理的基础——干涉原理。   波动相遇并重叠时，两条波动合在一起，振幅可能会比原来的波动更大或更小，这种现象称为“波动干涉”。

上图（左）的两条波动相遇后振幅（横向）变大，因此称为“相长干涉”； 上图（右）的两条波动相遇后振幅反而变小，因此称为“相消干涉”。   这种波动同样适用于光。  

       因此，将相长干涉原理适用于光，可以得到更强的光，也就是更亮的光。   虽然我们用肉眼无法看见，但是一切物体都有着“固有振动数”，而且每种物体具有吸收与其固有振动数相应的频率或波动的性质。

      “共振（resonance）”是指，当物体的固有振动数与外力的振动数相同时，物体自然地开始振动，振动速度和压力等增大的现象，也称“共鸣”现象。

利用共振现象的OLED结构

来自EML层的光，在OLED器件内部的不同界面进行投射和反射，这时候会出现复杂的干涉现象。  

       向下扩散的光碰到Anode的金属层之后，向上反射，向上扩散的光碰到Cathode。   如果是顶部发光器件，光到达我们眼睛的方向为朝上。  

      从光的角度来看，Cathode类似于半透明反射膜。   因此，光到达Cathode之后，一部分光向外投射出去，还有一部分光再次反射并往下走。  

这些反射光互相干涉，引起相长干涉，产生共振现象.   为了形成与发光物质的固有振动数相同的共振频率（振动），应考虑发光材料的光学性能，在器件结构开发阶段就要根据光的波长进行缜密设计。  

       若要产生光的相长干涉，需要形成相应的共振厚度，利用OLED和外部的多种叠层膜的厚度，可以形成共振厚度。  

      也就是说，使有机层的厚度与膜的厚度相同，形成最佳共振频率，从而引起该发光物质共振有机层的厚度很薄，不足0.1-0.5μm，在可见光波长范围（380nm（Blue）-780nm（Red））出现各种共振现象。  

     通过这种方式，可以将光效率提高约1.5倍至2倍。  

     利用干涉和共振的自然现象，可以调节发光物体的厚度、折射率和反射率，改善所需波长的光学特性或画质特性，而OLED充分利用了这个原理。  

     由于这种现象，需要在小区域内发出尽可能明亮的光的中小型OLED可以显着提高光效率。

微腔效应

微腔器件总光学厚度以及微腔发光波长峰值满足以下关系式:

这里L是微腔总光程。

Фij是光分别在阳极与阴极反射面的相移之和，ni di分别是ITO和有机层的折射率、厚度，m是模的级数，λm为级数为m的模的波长.

由上面公式可知，如果改变腔的光学厚度L，则可以改变腔的模m的位置，从而改变微腔器件的发射波长λm.  微腔效应的强弱常通过半高宽(FWHM)来衡量,半高宽可大致满足

R1,R2分别为两个反射面的反射率,λmax为峰值波长,L为总光程.  由式可知,在反射率R1,R2不变的情况下,半高宽将随着峰值波长λmax的增大而增加。  

      通过设计不同的谐振波长,可以得到不同颜色波长的发射.   光通过谐振腔发射出来,使得光能得到加强,光谱得到窄化,因而得到很好的色饱和度.

OLED微腔效应举证

举例一:

以CuPc(12 nm) NPB(40 nm) Alq(40 nm)为发光层,制备了微腔结构顶发射有机发光器件,与相同发光层结构的传统底发射器件作为对比器件。  

      通过增加光程调节层ITO的厚度从180nm，190nm，210nm到240 nm,分别得到了500nm，516nm，536nm和584nm不同发光峰值的发射波长,半高宽分别为20nm,22nm,22nm和40nm.

如图中虚线所示,Alq基传统器件的发光峰值为535nm,半高宽为100 nm左右.   这一现象可由微腔效应得到合理解释: 由于半透明阴极Al Ag具有一定的光反射率,因此,在它与全反射层Ag之间就形成了微腔结构,一定波长的光将在微腔内得到加强和窄化.  

      由于ITO的折射率为2.2,较有机层的1.6~1.7大,所以其对微腔光程的影响也较为明显.  

      因此我们用ITO作为光程调节层得到了较为明显的效果,随着ITO厚度改变,相当于微腔总光程改变,   由微腔公式可知,此时发光峰值波长也会相应改变,   因此,虽然Alq本身的发光峰值为535nm,我们得到了500nm到584nm不同峰值的发光.  
 
      随着光程调节层ITO的厚度从180nm增加到240nm,半高宽从20nm增加到40nm.   器件的发光性能如下表所示:

由上表可知,随着ITO的厚度变化,器件的电流效率发生较大的变化,这是由于发光峰值的不同而引起,   当发光峰值为536 nm时,由于Alq本身的发光在535 nm附近最强,因此经过微腔谐振后顶发射器件效率较高,   而离Alq本身的发光峰值535 nm较远时,由于Alq本身的发光较弱,因此经过微腔谐振后顶发射器件的效率也较低。  

       举例二:为了验证以上结论,我们又以 CuPc(12nm),NPB(50nm),TBADN∶TBPe(30 nm),Alq(20 nm) 为发光层,制备了微腔结构的顶发射有机发光器件,同时以相同发光层结构的传统底发射器件作为对比器件.   结果如图所示.

由于器件具有微腔结构,因此器件半高宽明显减小;   当改变调节层ITO的厚度,总腔长改变时,可得到了不同发光峰值的器件.   ITO厚度从155nm到增加到210nm,发光峰值分别从464nm变化到532nm.  

       器件的半高宽随着峰值波长的增加而呈增大趋势,从17nm到增加到21 nm.   如图虚线所示,传统器件的发光峰值为464nm,半高宽为65nm左右,因此证明用微腔结构可实现同一发光层制备出不同发射波长的顶发射有机发光器件,发光光谱得到窄化,器件色度得到提高.  

      当ITO厚度为155nm时,可得到发光峰值为464nm,色坐标为x=0.141,y= 0.049的深蓝色顶发射器件.   器件的发光性能如表所示.

微腔效应对顶发射器件颜色的影响,通过调节光程,实现了用同一种有机发光层制备出不同波长的发射.

文末留一个小问题:

我们说的微腔效应都是在于顶发射,为什么底发射就不会有呢?

审核编辑 ：李倩