CN111769202B - 一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，该有机发光器件结构包括依次按序层叠的透明基底、高折射率透明膜层、银纳米线电极、薄电荷注入层、金属纳米粒子/电荷注入复合层、电荷传输层、发光层、电荷传输层、金属电极。所述高折射率透明膜层的折射率为1.4‑2.4。本发明采用银纳米线与金属纳米粒子组成耦合结构，相比于在器件中单独引入金属纳米粒子，能得到更强的等离子体共振电场强度，从而增强附近发光激子的辐射强度，对有机发光器件性能提升更加明显；同时，银纳米线和金属纳米粒子之间的耦合强电场可以有效增强银纳米线电极的电荷注入效率。

Description

一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构
技术领域
本发明涉及一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，可用于有机电致发光技术领域。
背景技术
柔性有机电致发光器件(FOLED)，它作为将电能转化为光能的有源电子器件，除了具有有机电致发光器件(OLED)的高亮度、响应速度快、色彩柔和、重量轻等优点外，更具备了可弯曲折叠、耐用性高和质量轻等优势，在柔性显示器件上有着广阔的应用前景。银纳米线，由于其优良的光电特性以及机械性能，被业界认为是最有前景的柔性电极材料，被广泛应用于柔性有机发光器件中。
尺寸小于光波波长的金属纳米结构，在外加光场的作用下，其表面附近自由电荷被局限在金属表面很小的范围内产生集体振荡。如果电荷的振荡频率与入射波频率相同时，将会激发很强的局域电场，这现象就被称为局域表面等离子体共振(LSPR)。等离子体共振电场能够有效提高附近发光分子的发光强度。在FOLED中，银纳米线电极在输出光的同时，会对内部激子的发光有一定的吸收，在表面附近产生等离子体共振电场的同时也降低了银纳米线电极的光透过率。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，包括依次按序层叠的透明基底、高折射率透明膜层、银纳米线电极、薄电荷注入层、金属纳米粒子/电荷注入复合层、电荷传输层、发光层、电荷传输层、金属电极。
优选地，所述透明基底为刚性或柔性透明基底材料，材料折射率取值范围为1.4-1.65。
优选地，所述高折射率透明膜层的厚度大于10nm，高折射率透明膜层材料折射率的取值范围为1.6-2.4。
优选地，所述银纳米线电极由银纳米线组成，采用任意的纳米线排列方式，所述银纳米线的直径取值范围为30-100nm。
优选地，所述薄电荷注入层为有机或无机电荷注入材料，薄电荷注入层的厚度取值范围为0-10nm，所述金属纳米粒子/电荷注入复合层中金属纳米粒子的尺寸范围为30-100nm；所述金属纳米粒子/电荷注入复合层，金属纳米粒子分散分布在电荷注入层内，其中电荷注入层采用有机或无机电荷注入材料，电荷注入层厚度的取值范围为30-70nm。
优选地，所述银纳米线采用平行排列方式或正交排列方式。
优选地，所述金属纳米粒子采用能够引起等离子体共振效应的金属材料。
优选地，所述电荷传输层采用有机电荷传输材料，电荷传输层厚度的取值范围为0-20nm，所述发光层厚度的取值范围为30-80nm。
优选地，所述有机电荷传输材料包括空穴传输材料和电子传输材料。
优选地，所述发光层的厚度能够根据纳米粒子的尺寸及发光材料的导电性调整，使金属纳米粒子与发光层中的发光激子保持有效距离。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明在柔性基底和银纳米线电极之间添加高折射率介质层，显著地增强了银纳米线电极的透过率，提高了柔性有机电致发光器件的光输出。
本发明采用银纳米线与金属纳米粒子组成耦合结构，相比于在器件中单独引入金属纳米粒子，能得到更强的等离子体共振电场强度，从而增强附近发光激子的辐射强度，对有机发光器件性能提升更加明显。同时，银纳米线和金属纳米粒子之间的耦合强电场可以有效增强银纳米线电极的电荷注入效率。
本发明在银纳米线和金属纳米粒子之间引入通过一个薄电荷注入层调节银纳米线和金属纳米粒子之间的距离，以获得更加有效的等离子体共振耦合。
本发明在金属纳米粒子一侧采用电荷注入层和电荷传输层的双层电荷传输结构，一方面能增强电荷的注入效率，另一方面可以根据发光层中激子的发光位置，调整各层的厚度，以实现等离子体共振电场对激子辐射的增强。
本发明适用于蓝光至红光的较宽波长范围内的有机发光器件，根据特定的发光波长可以通过调整金属纳米粒子的形状和尺寸，实现对激子发光的等离子体共振增强。同时也适用于具有不同电荷传输性能的发光层材料，具有广泛的应用范围。本发明的器件结构简单，易于制备。
附图说明
图1为本发明的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构示意图。
图2为本发明实施例1与实施例1的光输出曲线图。
图3为本发明实施例2的电场强度分布图。
图4为本发明实施例2与实施例3的光输出曲线图。
图5为本发明实施例3的电场强度分布图。
图6为本发明实施例2与实施例4的光输出曲线图。
图7为本发明实施例2与实施例5的光输出曲线图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，如图1所示，该有机发光器件结构包括依次按序层叠的透明基底1、高折射率透明膜层2、银纳米线电极3、薄电荷注入层4、金属纳米粒子/电荷注入复合层5、电荷传输层6、发光层7、电荷传输层8、金属电极9。
所述透明基底1采用有机发光器件常用的刚性或柔性透明基底材料，折射率在1.4-1.65之间。所述高折射率透明膜层2可以采用有机或者无机的透明材料，材料的折射率高于柔性基底的折射率，所述高折射率透明膜层的折射率为1.4-2.4，厚度超过10nm。所述银纳米线电极3由直径在30-100nm之间的银纳米线组成，采用任意的纳米线排列方式，使电极在可见光范围内的平均透射率超过80％。银纳米线采用平行排列方式，可以获得较高的透射率。所述薄电荷注入层4采用有机或无机电荷注入材料，其厚度在0-10nm范围内。可以选用空穴注入材料：聚乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸钠，氧化钼等，或者电子注入材料：氧化锌，聚乙氧基乙烯亚胺等。
所述金属纳米粒子/电荷注入复合层5，其中金属纳米粒子采用能引起等离子体共振效应的金属材料，具体地，所述银纳米离子采用具有比较尖锐形状的银纳米粒子，比如纳米立方体，纳米四面体等。其中金属纳米粒子的尺寸为30-100nm，纳米粒子的尺寸与银纳米线的直径相当，能够使银纳米粒子和银纳米线之间产生较强的表面等离子体共振耦合。其中金属纳米粒子分散分布在电荷注入层内，部分金属纳米粒子表面与银纳米线靠近，之间距离不超过20nm。其中电荷注入层采用可溶液处理的有机或无机电荷注入材料，导电类型与薄电荷注入层4相同，其厚度在30-70nm范围内。电荷注入材料具有水溶性或者醇溶性，可以溶解后与金属纳米粒子混合制备复合层。
所述电荷传输层6采用有机电荷传输材料，导电类型与电荷注入层4、金属纳米粒子/电荷注入复合层5一致，其厚度在0-20nm范围内。空穴传输材料如：4，4′-环己基二[N，N-二(4-甲基苯基)苯胺]，N，N’-二苯基-N，N’-(1-萘基)-1，1′-联苯-4，4′-二胺等，电子传输材料：1，3，5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯，4，7-二苯基-1，10-菲罗啉等。其厚度可调，使金属纳米粒子与发光层7中的发光激子保持有效距离，保证金属纳米粒子的等离子体共振电场可以增强发光激子的发光强度。
所述发光层7的厚度在30-80nm范围内，其厚度根据纳米粒子的尺寸及发光材料的导电性调整，使金属纳米粒子与发光层中的发光激子保持有效距离。所述电荷传输层8采用有机电荷传输材料，其导电类型与电荷传输层6相反，其厚度根据电荷传输层6的厚度进行调节，以保证器件中有比较平衡的电子和空穴注入。电荷传输层8的厚度与银纳米粒子所在电荷注入层5和电荷传输层6的总厚度相当。所述金属电极9采用高导电性的金属材料，厚度超过100nm，具有高的电荷注入效率和高反射率。
实施例1：本实施例中，透明基底为普通玻璃衬底，折射率为1.5。在玻璃衬底上为银纳米线电极，其中银纳米线的直径为50nm，银纳米线平行排列。银纳米线电极上为空穴注入层，所采用的材料为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸钠，折射率为1.5，厚度为55nm。空穴注入层上为空穴传输层，所采用的材料为4，4′-环己基二[N，N-二(4-甲基苯基)苯胺]，折射率为1.7，厚度为10nm。空穴传输层上为发光层，所采用的材料为电子传输型绿光材料，材料为8-羟基喹啉铝，折射率为1.73，厚度为50nm。发光层上为电子传输层，所采用的材料为3，3′-[5′-[3-(3-吡啶基)苯基][1，1′：3′，1″-三联苯]-3，3″-二基]二吡啶，其折射率为1.8，厚度为60nm。电子传输层上为金属电极，所采用的材料为铝，厚度为100nm。
图2为本发明实施例1与实施例2中所述器件的光输出曲线图，图中横坐标为波长，纵坐标为光输出强度。从图2中可以看出，在银纳米线和柔性衬底加入折射率为1.9的透明膜层之后，器件的光输出强度在整个可见光波段都有提升。
实施例2：本实施例的基本结构与实施例1相同，具体为：透明基底为普通玻璃衬底，折射率为1.5。在玻璃衬底上为银纳米线电极，其中银纳米线的直径为50nm，银纳米线平行排列。银纳米线电极上为空穴注入层，所采用的材料为聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸钠，折射率为1.5，厚度为55nm。空穴注入层上为空穴传输层，所采用的材料为4，4′-环己基二[N，N-二(4-甲基苯基)苯胺]，折射率为1.7，厚度为10nm。空穴传输层上为发光层，所采用的材料为电子传输型绿光材料，材料为8-羟基喹啉铝，折射率为1.73，厚度为50nm。发光层上为电子传输层，所采用的材料为3，3′-[5′-[3-(3-吡啶基)苯基][1，1′：3′，1″-三联苯]-3，3″-二基]二吡啶，其折射率为1.8，厚度为60nm。电子传输层上为金属电极，所采用的材料为铝，厚度为100nm。
本实施例中，在实施例1的基础上，在玻璃衬底和银纳米线电极之间引入高折射率透明薄层，高折射率透明薄层材料为氧化锡，其折射率为1.9，厚度为50nm。图2为本发明实施例1与实施例2中所述器件的光输出曲线，图中横坐标为波长，纵坐标为光输出强度。从图中可以看出，在银纳米线和柔性衬底加入折射率为1.9的透明膜层之后，器件的光输出强度在整个可见光波段都有提升。
图3为本发明实施例2，未引入纳米粒子的参考器件中，银纳米线附近的电场强度分布图。
实施例3：本实施例与实施例2的基本结构相同。本实施例中，在实施例2的基础上，在空穴注入层内引入银纳米立方，立方边长为50nm，银纳米立方的平面与银纳米线相对，之间距离为5nm，银纳米立方完全嵌入空穴注入层中。
图3为本发明实施例2与实施例3中所述器件的光输出曲线，图中横坐标为波长，纵坐标为光输出强度。从图中可以看出，在银纳米线附近引入银纳米立方之后，器件的光输出强度有很大的提升。
实施例4：本实施例与实施例2的基本结构相同。本实施例中，在实施例2的基础上，在空穴注入层内引入银纳米球，直径50nm，其表面与银纳米线之间距离为5nm。银纳米球嵌入空穴注入层中，图中横坐标为波长，纵坐标为光输出强度。图4为本发明实施例2与实施例4中所述器件的光输出曲线。从图中可以看出，在银纳米线附近引入银纳米球之后，器件的光输出强度在短波长范围内有明显提升，但是在长波段内效果不佳。这一结果与银纳米球的共振范围有关，通过调整纳米球的尺寸，可以改变共振波长，从而改变器件性能。
实施例5：本实施例与实施例2的基本结构相同。本实施例中，在实施例2的基础上，在空穴注入层内金纳米立方，立方边长为50nm，金纳米立方的平面与银纳米线相对，之间距离为5nm，图中横坐标为波长，纵坐标为光输出强度。金纳米立方完全嵌入空穴注入层中。图5为本发明实施例2与实施例5中所述器件的光输出曲线。从图中可以看出，在银纳米线附近引入金纳米立方之后，器件的光输出强度有很大的提升。
图6为本发明实施例2，未引入纳米粒子的参考器件中，银纳米线附近的电场强度分布。图7为本发明实施例3，引入银纳米立方后，银纳米线附近的电场强度分布。通过与图6的比较，可以看到引入银纳米立方之后，纳米线附近的电场被明显增强，这有利于银纳米线电极向发光器件注入电荷。
本发明利用纳米线电极与柔性衬底之间的高折射率介质层提高银纳米线电极的光输出强度；利用银纳米线与银纳米粒子之间的等离子体共振耦合，提高局域等离子体共振电场的强度，增强银纳米线电极的电荷注入效率，同时增强金属纳米粒子附近发光激子的发光强度，进一步提升柔性有机电致发光器件性能。
通过在透明基底和银纳米线电极之间引入高折射率膜层，增强器件的光取出效率；通过在银纳米线附近引入金属纳米粒子和薄电荷注入层，实现银纳米线和金属纳米粒子之间的等离子体共振耦合，一方面增强银纳米线附近电场，提高了电极的电荷注入效率，另一方面增强金属纳米粒子附近电场，提高发光层中发光激子的辐射效率。本发明简单易行，制备工艺成熟，具有潜在的应用价值。
本发明旨在提供一种基于银纳米线等离子体共振效应的柔性有机发光器件结构。首先在透明柔性基底和银纳米线电极之间添加一层高折射率介质层，提高银纳米线电极的光输出效率。其次，考虑银纳米线表面虽然产生等离子体共振，但是由于银纳米线电极距离FOLED中的发光激子较远，所以其产生的等离子体共振电场无法作用于发光激子，而未被充分利用。所以在银纳米线电极附近引入银纳米粒子，将银纳米线与银纳米粒子结合，利用两种纳米结构之间能产生等离子体共振耦合的机理，提高银纳米粒子的局域表面等离子体共振电场的强度，从而进一步提升附近发光激子的辐射强度，增强FOLED的发光性能。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：包括依次按序层叠的透明基底（1）、高折射率透明膜层（2）、银纳米线电极（3）、薄电荷注入层（4）、金属纳米粒子/电荷注入复合层（5）、空穴传输层、发光层（7）、电子传输层、金属电极（9）；
所述薄电荷注入层（4）为有机或无机电荷注入材料，薄电荷注入层的厚度取值范围为0-10nm，所述金属纳米粒子/电荷注入复合层（5）中金属纳米粒子的尺寸范围为30-100nm；所述金属纳米粒子/电荷注入复合层（5），金属纳米粒子分散分布在电荷注入层内，其中电荷注入层采用有机或无机电荷注入材料，电荷注入层厚度的取值范围为30-70nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述透明基底（1）为刚性或柔性透明基底材料，材料折射率取值范围为1.4-1.65。
3.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述高折射率透明膜层（2）的厚度大于10nm，高折射率透明膜层材料折射率的取值范围为1.6-2.4。
4.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述银纳米线电极（3）由银纳米线组成，采用任意的纳米线排列方式，所述银纳米线的直径取值范围为30-100nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述银纳米线采用平行排列方式或正交排列方式。
6.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述金属纳米粒子采用能够引起等离子体共振效应的金属材料。
7.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述空穴传输层或电子传输层采用有机电荷传输材料，空穴传输层或电子传输层厚度的取值范围为0-20nm，所述发光层（7）厚度的取值范围为30-80nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线电极的有机发光器件结构，其特征在于：所述发光层（7）的厚度能够根据纳米粒子的尺寸及发光材料的导电性调整，使金属纳米粒子与发光层中的发光激子保持有效距离。
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