底发射OLED中阳极形状对器件性能的影响

袁桃利， 马 颖， 魏 楠， 朱小娟

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

有机发光二极管(Organic light-emitting diodes,OLED)因其在平板显示领域的无可比拟的优点吸引了国内外很多研究者的注意.就器件本身而言，通过优化器件结构提高有机电致发光器件的效率、亮度、寿命等的研究已处于白热化状态.尤其是随着磷光材料的出现，使得OLED的内量子效率几乎达到100%，而外量子效率由于组成器件的功能层、电极层材料的吸收，以及很大一部分波导模态和衬底模态被限制，出光效率仅仅只有20%左右[1,2].大量的能量损耗在器件内部，因此如何提高OLED器件的外量子效率，减少内部损耗则成为目前OLED器件研究的热点.

提高OLED出光效率经常使用的方法有散布微球粒[3]、基板粗化[4]、采用微腔结构、改变电极结构等.Shiang和Duggal[5]提出了增加散射层的设计思想，出光率可增加40%；R. H. Jordan[6]等采用微腔结构，外量子效率相比于传统结构提高了1.6倍；陈文彬[7]等提出了将OLED器件设计成圆台型以获得更高的外量子效率；Moelle等人在ITO玻璃背面布置了微透镜阵列，使得器件的量子效率提高了50%.本文通过改变阳极出光侧形状，即用一侧平整(光面)，一侧具有均匀凹凸结构(凹凸面)的特制玻璃作为基底，以其光面和凹凸面分别作为阳极附着面，制备了两种不同结构的器件，与传统的微腔结构进行比较.经实验初步证明：当出光侧形状不同时，意味着OLED器件具有不同的出光模型，3种器件在性能上也有很大的不同.

1 实验

1.1 器件制备

实验所制备的器件结构为：特制玻璃基板(光面和凹凸面)/Al(15 nm)/MoO3(40 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(30 nm)∶C545T(3%)/Alq3(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)；为便于比较，制备了传统结构的器件，即普通玻璃基板/Al(15 nm)/MoO3(40 nm)/NPB(30 nm)/Alq3(30 nm)∶C545T(3%)/Alq3(20 nm)/LiF(1 nm)/Al(150 nm)；特制玻璃与普通玻璃基板材质、光面的表面光滑度相同.三种器件分别称之为器件A、器件B和器件C.结构如图1所示.特制玻璃基板凹凸面的凹凸结构呈近似圆锥形，底面直径约为0.7 mm，高度约为0.1 mm.均匀阵列.其中，3种器件均采用15 nm的Al膜作光输出阳极，即出光侧，MoO3和NPB分别为空穴注入和传输层，Alq3用作电子传输层，LiF/Al为复合阴极.实验所使用的主要材料来源为：MoO3购于Sigma-Aldrich公司，NPB购于吉林奥来德光电材料股份有限公司，Alq3购于西安瑞联近代电子材料有限责任公司.

实验所用真空蒸镀设备为沈阳真空研究所的OLED-Ⅴ型有机多功能成膜设备.首先将玻璃基板使用丙酮、乙醇、去离子水等超声清洗若干次，烘干，放入真空室，进行离子轰击，当真空度为4×10-4Pa时，然后依次蒸镀阳极Al，各有机功能层及阴极Al.实验通过晶振控制膜厚，有机层的蒸镀速率约为0.3 nm/s,而Al电极的蒸发速率约为0.8 nm/s.

1.2 器件测试

测试过程在室温及大气环境中进行，电流-电压特性由Keithely2400型直流电源测量,电致发光光谱由PR-655 SpectraScan采集.器件发光面积为9 mm×9 mm.器件未进行封装.

图1 器件结构

2 分析及讨论

2.1 器件的电流密度-电压特性

图2为3种器件的电流密度-电压特性曲线.可以看出，无论是在特制玻璃的两侧还是在传统的玻璃基板上，器件的启亮电压几乎没有明显变化，大致为5 V左右.且3种器件都表现出典型的二极管整流特性.但是，应该注意的是，器件A与器件C的电流密度-电压曲线几乎重叠，而器件B的电流密度明显小于其他两种器件，这可以从图1中3种器件采用的结构得到解释.器件A与器件C虽采用不同玻璃，但是阳极附着面的性质是相同的，从阳极到阴极之间的功能层材料和厚度等是完全相同的，而载流子的注入及传输也只发生在阴极与阳极之间，因此，器件A与器件C的电流密度-电压曲线是一样的.而器件B的阳极附着面为凹凸面，从理论上来看，阳极薄膜拥有更大的接触面积，相同电压下电流密度应该较之前两种更大些，但事实与此正好相反，器件B的电流密度反而更小些，这就与阳极薄膜的表面状态有关，凹凸表面在增大表面的同时，也使得薄膜的连续性和致密性受到影响，阻碍载流子的注入，而这样的影响远远大于增加表面积所产生的影响，因此，在制备OLED器件时，支撑基板的表面状态是非常重要的.

图2 器件的电流密度-电压特性

2.2 器件的亮度-电压特性

图3是3种器件的亮度-电压特性曲线.可以看到，相同电压下器件A的亮度最高，10 V左右时可达到30 000 cd/m2，器件B亮度最低，10 V时只有16 000 cd/m2，传统器件则达到21 000 cd/m2.器件A的亮度相比于传统器件C增加了40%左右.由图可以看出，器件A与器件B都采用特制玻璃，但是在光面上和在凹凸面上所制备的器件在亮度上有明显差异.且器件A的亮度也远远高于传统的器件C.这可以从光输出模型来解释.3种器件除了阳极出光侧的表面状态和形状不同外，其他结构均相同.如图4所示，对于器件A和器件B，其光输出侧的形状及表面可由图中的surface2来代表，而传统器件C的光输出表面可由surface1表示.对于传统器件C，当光出射至玻璃/空气界面处时，由于全反射存在一个大小约等于2θ1(θ1为玻璃/空气界面临界角)的立体角度范围，大于该立体角度的光无法从玻璃中出射.而对于器件A和B，当平面变成凹凸面时，对同一束光线，入射角θ2远小于全反射临界角，而使得光线能够从玻璃中取出.因此，凹凸结构有利于光线从玻璃中萃取出来，且有效降低了衬底模态和其他波导模态的损耗.是一种能够增强光输出的模型.这也解释了器件A优于传统器件C的原因.但是，器件B虽然也是增强型输出模型，但是其亮度和电流密度却最差，这说明对于OLED器件而言，薄膜的致密性、连续性对于器件的性能是至关重要的.如图5所示是光面和凹凸面的Al膜的沉积情况，可以看出，凹凸面上大部分Al沉积到了边缘和小坑里，凹面的内表面只有少量甚至没有Al，而光面的Al膜虽然偶尔有缺陷，但基本是连续的.连续而致密的薄膜能够保证载流子顺利注入传递并复合，而如果沉积不均匀或有断裂，载流子需要克服更大的势垒，就大大降低了载流子传播的数量，而使得复合几率减小.且实验发现，器件B点亮时，局部有黑斑，且亮度分布带有隐约的圆圈.这与阳极Al膜的沉积表面状况是基本吻合的，在不连续处，由于载流子无法到达并符合，进而出现黑斑.这就解释了为什么器件B性能较差.

图3 器件的亮度-电压曲线

图4 光输出模型

图5 不同表面Al膜的附着

2.3 器件的电流效率-电压特性

图6是器件的效率-电压特性曲线.由图可知，器件A的最大电流效率可以达到7 cd/A，而传统器件C可以达到6.3 cd/A，器件B最高只有5 cd/A.器件A的电流效率增加了约10%.但器件B的电流效率随着电压的升高，下降趋势却较平缓，而器件A和C则下降较快.这是由于光面型器件拥有更高的电流密度，使更多的载流子注入并复合[8]，随着电压的增加，载流子注入的不平衡加剧，多余的载流子便会在器件内部形成内建电场，阻碍载流子的注入及传播，使得复合效率降低[9].

图6 器件的电流效率-电压曲线

2.4 器件的光谱特性

图7 器件的相对光谱

图7是器件在9.5 V时的相对光谱.谱峰位置基本相同，处于520 nm附近.3种器件几乎完全重合，这说明3种器件的主体材料有效地将能量传递给了客体发光材料.显然，对于平面型器件A与C，在拥有相同电流密度的条件下，器件A在亮度、效率、光谱强度方面更胜一筹.这说明，在提高内量子效率的同时，外量子效率的提高是不能忽视的，凹凸结构改变了全反射的角度限制，极大地改善了光子的出射条件.增强了光从器件中的萃取能力.有效提高了OLED的外量子效率.器件B则由于受到膜层不均匀、缺陷的影响，完全抵消了凹凸模型所带来的益处.

3 结束语

制备了两种以特制玻璃作为阳极的微腔有机电致发光器件和传统微腔结构的器件，通过实验测试分析及比较，得出以下结论：如果阳极薄膜不均匀甚至断裂，则器件会表现出黑斑，显示不均匀等特性；当阳极Al膜具有很好的连续性、致密性和平整性时，且在光输出侧，玻璃/空气界面处具有凹凸结构修饰时，不仅能够获得良好的电流-电压、亮度、电流效率等特性，且光线能够克服在输出过程中遇到的全反射限制，器件出光效率大幅增强，有效提高了器件的外量子效率.

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