CN102201552A - 一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法 - Google Patents

Abstract

一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于包括下列步骤：(1)选择有机发光材料，使其同时作为电子传输层和发光层，其发光峰值处波长为λ；(2)选择金属材料作为OLED结构的阴极，并在其上制作周期六边形点阵；(3)按照金属阴极、有机发光材料、空穴传输层、ITO导电玻璃的结构形成层状结构；(4)适当的选择金属六边形点阵的周期，加入电压后，可以使OLED的发光强度得到较大的提高。

Description

一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法

技术领域

本发明涉及一种利用二维金属光子晶体实现OLED(有机发光二极管)电致发光增强结构的方法。

背景技术

表面等离子体技术作为现阶段科研的一个热点技术，广泛的运用于纳米聚焦、光刻、生物传感、太阳能技术，以及LED/OLED发光增强等方面。

2004年，Koichi Okamoto的小组在Nature Materials上发表了题为“Surface-Plasmon-enhanced light emitters based on InGaN quantum wells”的文章，文中提出了，表面等离子体的引入将与一部分电子-空穴对的复合能量耦合，从而使得电子-空穴对的复合在原有辐射复合和无辐射复合的基础上多了一种复合模式，从而加快了其复合速率。大量的耦合为表面等离子体的能量又将通过表面的周期结构辐射出去，从而发光增强。基于金属光栅增强LED/OLED出光效率的研究也得到较快的发展。

除此之外，基于Purcell理论的利用LSP实现发光增强的研究，也是表面等离子体技术提高LED/OLED发光增强研究的主要技术背景之一。P.Pompa等人在2006年发表于Nature Nanotechnology上名为Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control的文章，提出通过聚焦离子束制作三角形金属点阵的办法实现了发光物质发光强度的增强。但是聚焦粒子束作为一种制作手段过于昂贵，而且不易在大面积上制作。Dong-Ming Yeh等人2008在Nanotechnology发表名为Localized surface plasmon-induced emission enhancement of a green light-emitting diode的文章，提出了用热退火金属薄膜的法式引入局域表面等离子效应，但是其膜的消光截面曲线过于平缓，限制了其增强的效果。

结合以上的一些技术观点，和现在非常有前景的OLED技术，本发明提出将有机发光材料和金属周期结构结合的结构以实现发光的增强。本发明的技术优势在于使用PS球自组装技术，不仅可以形成峰值尖锐的消光截面曲线谱，同时制作简便适用于大面积制作的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种实现OLED电致发光增强结构的方法，通过利用金属结构，改变有机材料中激子的发光效率，OLED的发光强度得到较大的提高，从而提高整个有机发光材料发光强度。

本发明的技术方案是：一种实现有机发光二极管(OLED)电致发光增强结构的方法，实现步骤：

(1)选择有机发光材料，使有机发光材料同时作为电子传输层和发光层，有机发光材料发光峰值处波长为λ；

(2)选择金属材料作为有机发光极管(OLED)结构的阴极，并在阴极上制作六边金属周期结构，所述制作六边金属周期结构步骤如下：

a.确定将使用的有机发光材料的发光峰值波长λ和折射率；

b.建立六边金属周期结构模型；

c.设置六边金属周期结构参数，进行仿真，计算出六边金属周期结构的消光截面谱；

所述消光截面谱计算公式如下：

σ_ext(ω)＝σ_abs(ω)+σ_scat(ω)(1)

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中σ_abs(ω)是吸收截面，σ_scat(ω)是散射截面，P_abs(ω)是金属粒子总的吸收能量，P_scat(ω)是总的散射能量，I_source(ω)是入射光强度；以上这些参数，通过在仿真软件中建立模型，设置观察面很容易的得到；

d.改变六边金属周期结构参数，六边金属周期结构消光截面谱将获得不同的值，当消光截面谱的峰值位置和发光材料的发光峰值位置重合的时候，认为这时发光材料中的激子处于最佳的光子态密度中，产生最好的发光增强效果，这时即得仿真后的六边金属周期结构；

e.根据仿真结果得到的六边金属周期结构，选择聚苯乙烯(PS)球进行自组装，镀膜去球后可以获得相应的六边金属周期结构；

(3)按照六边金属周期结构、有机发光材料、空穴传输层、ITO导电玻璃的顺序依次形成层状结构；所述空穴传输层厚度在8～12nm，有机发光材料的厚度为50～100nm，金属阴极上的六边金属周期结构和ITO导电玻璃厚度均在50～100nm之间；

(4)加入电压，OLED的发光，使OLED的发光强度得到较大的提高。

所述六边金属周期结构为三角形金属结构、圆柱结构、圆环结构等。

所述步骤(1)中的有机发光材料为Alq₃、Balq或DPVBi。

步骤(2)中的金属材料为可激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝。

所述步骤(3)中的层状结构，要求金属阴极结构上制造的六边金属周期结构的一边与发光层接触。

所述步骤(3)中空穴传输层材料使用NPB。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过利用金属结构，改变有机材料中激子的发光效率，OLED的发光强度得到较大的提高，从而提高整个有机发光材料发光强度。

(2)本发明制作简单：PS自组装技术可以很快的在金属表面排列成形，通过镀膜和超声去球，极易实现周期金属的制作。

(3)通过这种方式制作的金属结构具有良好的消光截面谱(尖锐的峰值)，易实现大的发光增强。

附图说明

图1为本发明一种实现OLED电致发光增强结构的方法；

图2为本发明一种实现OLED电致发光增强结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种实现OLED电致发光增强结构，其具体实现方式步骤如下：

(1)选择的有机发光材料为Alq₃，使其同时为电子传输层和发光层，其发光峰值为520nm左右；

(2)选择金属材料镁银合金做为OLED的阴极，并在阴极上利用PS球自组装技术制作六边周期金属银结构；具体的步骤如下：

a.确定将使用的有机发光材料的发光峰值波长λ和折射率；

b.建立六边金属周期结构模型；

c.设置六边金属周期结构参数，进行仿真，计算出六边金属周期结构的消光截面谱；

所述消光截面谱计算公式如下：

σ_ext(ω)＝σ_abs(ω)+σ_scat(ω)(1)

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中σ_abs(ω)是吸收截面，σ_scat(ω)是散射截面，P_abs(ω)是金属粒子总的吸收能量，P_scat(ω)是总的散射能量，I_source(ω)是入射光强度；由三角形结构属于特殊的结构，很难得到解析的解，所以一般使用数值仿真来得到消光截面谱。这里利用FDTD(The finite-difference time-domain)即时域有限差分法计算；

d.建立一个金属三角形颗粒尺寸大小和消光截面谱的一一对应的列表。根据使用的发光材料的波长，从列表中找出具有对应的消光峰位置的金属三角形颗粒的尺寸；

e.根据金属三角形颗粒的尺寸选择PS球的大小，进行自组装，镀膜去球后，获得相应的周期金属结构；

(3)如图2所示，按照金属镁铝、金属银、Alq₃、NPB和ITO构成四层结构，其中Alq₃的厚度为100nm；金属六边周期结构每边长为60nm左右，通过FDTD的仿真认为此时的消光截面谱的峰值位置靠近Alq₃的发光峰值λ₀。其中λ₀510nm。金属结构的高度为50nm。NPB的厚度也为50nm；

(4)加入5V左右的电压，使OLED的发光强度较之传统器件得到较大的提高。

实施例2

具有同实例1类似的结构，具体的参数选择上可以变化：

(1)选择的有机发光材料为Alq₃，使其同时为电子传输层和发光层，其发光峰值为520nm左右；

(2)选择金属材料铝做为OLED的阴极，并在阴极上利用PS球自组装技术制作六边周期金属银结构；具体的步骤如下：

a.确定将使用的有机发光材料的发光峰值波长λ和折射率；

b.建立六边金属周期结构模型；

c.设置六边金属周期结构参数，进行仿真，计算出六边金属周期结构的消光截面谱；

所述消光截面谱计算公式如下：

σ_ext(ω)＝σ_abs(ω)+σ_scat(ω)(1)

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中σ_abs(ω)是吸收截面，σ_scat(ω)是散射截面，P_abs(ω)是金属粒子总的吸收能量，P_scat(ω)是总的散射能量，I_source(ω)是入射光强度；由三角形结构属于特殊的结构，很难得到解析的解，所以一般使用数值仿真来得到消光截面谱。这里利用FDTD(The finite-difference time-domain)即时域有限差分法计算；

d.建立一个金属三角形颗粒尺寸大小和消光截面谱的一一对应的列表。根据使用的发光材料的波长，从列表中找出具有对应的消光峰位置的金属三角形颗粒的尺寸；

e.根据金属三角形颗粒的尺寸选择PS球的大小，进行自组装，镀膜去球后，获得相应的周期金属结构；

(3)如图2所示，按照金属银、Alq₃、NTB和ITO构成四层结构，其中Alq₃的厚度为100nm；金属六边周期结构每边长为60nm左右，通过FDTD的仿真认为此时的消光截面谱的峰值位置靠近Alq₃的发光峰值λ₀。其中λ₀510nm。金属结构的高度为40nm。NPB的厚度也为60nm；

(4)加入5V左右的电压，使OLED的发光强度较之传统器件得到较大的提高。

Claims (6)

1.一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)选择有机发光材料，使有机发光材料同时作为电子传输层和发光层，有机发光材料发光峰值处波长为λ；

(2)选择金属材料作为有机发光极管(OLED)结构的阴极，并在阴极上制作六边金属周期结构，所述制作六边金属周期结构步骤如下：

a.确定将使用的有机发光材料的发光峰值波长λ和折射率；

b.建立六边金属周期结构模型；

c.设置六边金属周期结构参数，进行仿真，计算出六边金属周期结构的消光截面谱；

所述消光截面谱计算公式如下：

σ_ext(ω)＝σ_abs(ω)+σ_scat(ω)(1)

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{scat}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{P_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{I_{\mathrm{source}}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中σ_abs(ω)是吸收截面，σ_scat(ω)是散射截面，P_abs(ω)是金属粒子总的吸收能量，P_scat(ω)是总的散射能量，I_source(ω)是入射光强度；以上这些参数，通过在仿真软件中建立模型，设置观察面很容易的得到；

d.改变六边金属周期结构参数，六边金属周期结构消光截面谱将获得不同的值，当消光截面谱的峰值位置和发光材料的发光峰值位置重合的时候，认为这时发光材料中的激子处于最佳的光子态密度中，产生最好的发光增强效果，这时即得仿真后的六边金属周期结构；

e.根据仿真结果得到的六边金属周期结构，选择聚苯乙烯(PS)球进行自组装，镀膜去球后可以获得相应的六边金属周期结构；

(3)按照六边金属周期结构、有机发光材料、空穴传输层、ITO导电玻璃的顺序依次形成层状结构；所述空穴传输层厚度在8～12nm，有机发光材料的厚度为50～100nm，金属阴极上的六边金属周期结构和ITO导电玻璃厚度均在50～100nm之间；

(4)加入电压，OLED的发光。

2.根据权利要求1所述的一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于：所述六边金属周期结构可以为三角形金属结构、圆柱结构或圆环结构。

3.根据权利要求1所述的一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的有机发光材料为Alq₃、Balq或DPVBi。

4.根据权利要求1所述的一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于：步骤(2)中的金属材料为可激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝。

5.根据权利要求1所述的一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的层状结构，要求金属阴极结构上制造的六边金属周期结构的一边与发光层接触。

6.根据权利要求1所述的一种实现有机发光二极管电致发光增强结构的方法，其特征在于：所述步骤(3)中空穴传输层材料使用NPB，NTB等。

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