结题报告-有机发光二极管的光学模拟

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目（创新类项目）结题报告书项目名称有机发光二极管的光学模拟项目类型（）重点项目、（）重点自筹项目、（）一般项目、（）指导项目计划完成时间2015年6月研究期限项目起始时间2014年9月实际完成时间2015年4月一、项目实施情况（请就研究目标、研究过程、研究成果、项目的完成质量、学术水平以及推广应用价值作全面总结，3000字以内）1、研究目标（1）建立光学模型的理论框架，并通过MATLAB编程进行数学上的实现；（2）利用建立的光学模型分析电子传输层厚度（ETL）和空穴传输层（HTL）对发光光谱的影响，并与实际器件的光谱测量值进行比对；（3）计算不同器件结构下的相对亮度，寻求最佳ETL和HTL厚度。（4）AU做阳极分析强微腔下EL光谱变化2、研究过程（1）理论模型的建立分别在TE和TM波模式下分别建立各层薄膜的界面矩阵与相位矩阵，然后构建发光中心左边总矩阵和右边总矩阵。利用偶极子发光源项，假定发光中心是单层分子，可以推导出从OLED器件表面发出光谱的电场强度公式，借助MATLAB进行编程，在数学上实现模型的EL光谱计算。（2）模拟计算需要输入参数的获得本项目模拟器件的基本结构为ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL。光学的传输矩阵（界面矩阵和相位矩阵）需要各膜层的折射率（N）和消光系数（K），我们将利用椭偏仪测量各膜层材料的N、K值。另外，计算中各层厚度的设定将根据模拟需要有规律地变化，进行系统研究。（3）器件结构优劣的系统分析在不同发射角度下，利用模型理论计算的的EL谱与人眼视觉函数进行卷积，可以计算不同角度下的亮度，这样就获得不同器件结构在整个发射空间的相对总流明，从而对器件结构的进行有效评估。（4）器件的制备与光电性能表征利用真空蒸镀的方法在图形化好的ITO基板上制备器件，利用LIV测试平台表征器件性能，同时利用微型光谱仪测量器件的EL光谱。利用实验测量的光谱来检验理论计算光谱数据，从而进一步优化模型。3、研究成果本课题主要研究对象为ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL结构的有机电致发光器件，其中ALQ3用作器件的电子传输层和发光层，NPB用作器件的空穴传输层，LIF作为器件的阴极修饰层。对该结构器件进行了光学模拟和结构的优化设计，另外我们还模拟了采用C545T作为发光分子掺杂到上述结构的ALQ3中作为多层发光层的器件，并通过模拟比较了采用ITO和AU作作为阳极对于器件性能的影响。最后我们通过真空蒸镀的方式制备出结构为ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL的器件，并测试器件性能。通过一系列的模拟计算和实验我们得出以下结论为阳极对于器件性能的影响。最后我们通过真空蒸镀的方式制备出结构为ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL的器件，并测试器件性能。通过一系列的模拟计算和实验我们得出以下结论首先我们基于ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL结构的有机发光二极管的光学模型，通过引入偶极子源项，利用转移矩阵的方法，使用MATLAB软件进行模拟计算。探讨了电子传输层ALQ3、空穴传输层NPB和透明阳极ITO厚度的变化引起的器件发光光谱和器件亮度的改变，并研究了各层厚度改变时，器件的亮度随观察角度的变化。结果表明各层厚度的变化会引起器件的性能的改变，其中根据模拟结果可得到ITO最佳厚度为120NM，NPB最佳厚度为50NM，ALQ3最佳厚度为20NM。接着我们基于单层发光层的器件结构的模拟，拓展到多层发光层的器件的模拟。我们采用类似的模拟方法，计算出了在多层发光层结构的器件中，作为阳极时，电子传输层（ALQ3）、空穴传输层NPB和发光层C545TALQ3厚度的变化引起的器件发光空穴传输层NPB和发光层C545TALQ3厚度的变化引起的器件发光光谱的改变和器件亮度随观察角度的变化。根据模拟结果可得到使用AU作为阳极对于器件的性能有着很好的改善，这是由于器件的微腔结构的作用，并且可以得到在电子传输层为50NM时，空穴传输层为20NM时，器件就可以达到很高的亮度。以模拟结果作为参考我们制备出了ITO/NPB/ALQ3/LIF/AL结构的有机电致发光器件，并测得各个器件的光谱图，其中对ALQ3层厚度的不同变化，我们还分别测量了电流电压曲线和亮度电压曲线，并计算出了器件的能量效率进而画出能量效率和亮度的关系曲线图。通过比较我们发现模拟结果和测试结果的数据比较吻合，计算出来的峰值和半峰宽与测量光谱也相一致。这说明我们的模型能够有效地模拟OLED器件的光谱。器件中各层厚度的变化也改变了器件的微腔结构，从而影响了器件的性能。通过实验结果可以得到ALQ3为18NM时，器件的性能比较优越，在亮度为1000CD/M2时能量效率可达26LM/W。通过增加氟化锂用作阴极修饰层来改善ALQ3/金属电极界面，达到降低界面处形成的缺陷对电荷或激子俘获几率的效果。并且还可以降低界面处接触势垒，形成欧姆接触，促进电荷的注入。此外添加LIF层还可减少金属原子在蒸镀时对有机层的热损害。通过测试结果我们可以看到引入LIF层后器件的电流效率由最大的15CD/A增加到最大可达到38CD/A。对器件的亮度也使极大的改善，而且对于器件的能量效率也有很大的提高。四、项目的完成质量、学术水平以及推广的价值本文所建立的光学模型比较粗糙，虽然所得结果能在一定程度上与实际器件吻合，但离实际指导应用还是有一定距离，这是由于我们并未考虑到器件的电学性能。因此，我们今后还可以结合偶极子分布和电流电压特性等进行更细致地研究，甚至将该模型拓展应用到其他领域。另外，器件的性能与材料的选用、器件制备工艺以及结构设计是密切相关的。由于在实验中，ITO电极的处理、有机层和金属电极的制备条件、器件的性能测试等均受到一定条件的限制，所以有机发光器件的性能与理想的预期有些差距。但是通过阴极界面的修饰，可知器件的性能得到大幅度提升。在以后的研究中，在此基础上可以利用更合适的材料或者对器件结构进行进一步的优化设计，可以制备出性能更好的有机电致发光器件。本文的研究内容对今后的工作具有初步的指导意义。如果对器件的模拟进一步的改进，并对器件的阳极、阴极界面修饰、发光层和空穴传输层材料进行改进，更加完善器件的制备工艺，相信可以进一步大幅度提升有机发光器件的能量效率。相信随着更多的深入研究以及其他领域如材料学科、光学学科、纳米技术等相关学科的发展，有机电致发光器件的性能会得到很好的改善，目前所存在的一系列问题也将迎刃而解。在提倡低碳生活的今天，有机电致发光器件由于其成本低、质量轻、柔韧性好、环境友好、可大面积制备等优点，在未来会有十分广阔的发展空间，而在显示和照明领域也将独树一帜，扮演着重要角色。2、项目创新点与特色1单发光层器件结构及模拟结果器件结构是ITO100NM/NPB50NM/ALQ31NM/ALQ375NM/AL100NM。器件的阳极为功函数较大的氧化铟锡导电薄膜（ITO），NPB用作空穴传输层。（1）器件性能与ALQ3厚度的关系4505050606507005101520253035光谱强度波长/NM10NM230N4M50N670NM8OLED的光谱与ALQ3膜厚关系密切，随着ALQ3层厚度的增大，EL光谱有发生红移。红移是由于器件的厚度增大导致其对于光波的干涉也发生变化，其中一部分短波长的光发生相消干涉一部分的长波长的光发生相长干涉。另外，随着厚度的增加曲线半峰宽也逐渐变窄，这也体现了器件中存在微弱的微腔效应。此外，在模拟中还发现通过调整ALQ3层的厚度可以使器件发光强度发生改变。ALQ3厚度为20NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系图47ALQ3厚度为40NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系图48ALQ3厚度为60NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系我们由图46可知，器件的最大亮度是在垂直基板的位置（EXT0）。当EXT变大时，由朗伯特余弦定理可知发光强度是降低的，在大于30时基本上没有光线出射。而且随着ALQ3厚度的增加，器件亮度随着角度的增大也是增加的。这是由于电子传输层的厚度的改变，改变了发光源距离金属阴极的位置，从而导致器件的亮度随出射角度的改变。另外可以发现随着EXT的增大，虽然亮度在降低，但是对亮度贡献的波长并没有发生特别大的偏移，这说明这种结构的发光器件不会产生明显的色偏。（2）器件性能与NPB膜厚的关系讨论4505050606507002468101210NM230N4M50N670NM8光谱强度波长/NM由图可知NPB厚度的改变同样会对器件的辐射强度造成改变。NPB层厚度增加，器件的辐射光谱是先红移再蓝移。并且随着NPB层厚度增加，EL光谱略微展宽。而其发光强度的变化则是由于NPB厚度初始增大相应的增加了介质对于光的吸收，并且随着NPB厚度的增加，光线在NPB介质中的广角干涉效应也发生了改变，使得出射光的光谱强度相应的增强。由图44和图49可知，ALQ3和NPB厚度的改变对于器件性能的影响是不同的。即使电子传输层ALQ3和空穴传输层NPB的厚度改变量相同，相应的出射光的光谱影响相差比较大，其中电子传输层ALQ3厚度的改变对出射光的光谱影响尤为巨大。图410光波长、NPB的厚度和器件亮度之间的关系图410看出NPB厚度的变化对器件的亮度是有一定的影响。随着NPB厚度的增加，器件的出光亮度是先变大后变小，当NPB厚度为50NM时，器件的亮度最大。图411NPB厚度为30NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系图412NPB厚度为50NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系图413NPB厚度为70NM时光波长、出射角度和器件亮度之间的关系而器件亮度和角度的关系可由图411，图412和图413可知，同样的器件亮度还是在出射角最小的位置最大。当出射角变大时，亮度也随之降低。同样也是由于遵循朗伯特余弦定理的原因。另外可以看出随着厚度的改变，不同波长对于亮度的贡献的分布是不变，这说明空穴传输层的厚度的改变没有使得器件发出的光出现色偏。2宽发光层器件的模拟结果与分析图51和图52为我们本章模拟的两种发光器件的结构图，并根据这种结构建立起相应的光学模型。结构中的AL作为阴极电极，LIF作为阴极修饰层，C545TALQ3作为发光层，其中ALQ3为载体，C545T为掺杂发光分子。由于我们模拟的发光层中，C545T的掺杂量很少约为1WT，我们近似认为发光层的折射率和吸收系数与电子传输层的折射率和吸收系数相同。另外，NPB作为空穴传输层，ITO和AU分别为两个器件的阳极。其中ITO和金属阴极可以形成弱的微腔结构，而AU由于反射率较高可以和金属阴极形成强的微腔结构。玻璃基板AUNPBC545TALQ3ALLIF图52AU作阳极有机发光二极管结构示意图（1）器件结构为ITO/NPB/C545TALQ3/ALQ3/AL的模拟结果50506065000510归一化后的发光强度波长/NM10NM2340N5M我们所模拟的器件结构为ITO100NM/NPB70NM/C545TALQ315NM/ALQ3D1/AL100NM，分别模拟画出D110NM，20NM，30NM，40NM和50NM时，器件归一化后的光谱图。由图57可以看出ALQ3层的厚度增加，不会使得器件光谱的峰值发生明显的移动，峰值基本上是在523NM左右，与C545T的发光光谱的峰值基本一致。但是ALQ3层的厚度增加会使得器件的光谱的半峰宽稍微变大。这是由于电子传输层的厚度增加改变了光源到达金属阴极的距离，增加了弱微腔腔体的长度，改变了发光源到阴极反射面的距离，因而会使得一部分光可以顺利的出射，表现为光谱变宽。4505050606500510归一化后的发光强度波长/NM50NM670N8M90N接下来我们所模拟的器件结构为ITO100NM/NPBD2NM/C545TALQ315NM/ALQ350NM/AL100NM。通过改变NPB层的厚度，来看空穴传输层的厚度对于器件光谱的影响。模拟计算中我们取D250NM，60NM，70NM，80NM和90NM，得到的器件归一化后的光谱图如图58所示。由图可以看到NPB层的厚度增加，同样不会使得器件光谱的峰值发生明显的移动，但是NPB层的厚度增加会使得器件的光谱的半峰宽变窄。这是由于空穴传输层的厚度增加，增加了弱微腔腔体的长度，因而会使得一部分光被局限在有机层中，表现为光谱变窄。45050506065000510波长/NM归一化后的发光强度10NM230N4M50N我们还模拟出了改变发光层的厚度也即是器件中C545TALQ3层的厚度对于器件发光光谱的影响。我们分别取发光层厚度为10NM，20NM，30NM，40NM和50NM，模拟出的器件归一化光谱如图59所示。随着发光层的厚度增加，发光光谱半峰宽略微的变窄。这是由于发光层厚度变大，导致整个弱微腔结构发生变化，由于微腔的作用，使得光谱变窄。不过发光光谱的峰值并没有发生太大的移动。（2）器件结构为AU/NPB/C545TALQ3/ALQ3/AL的模拟结果图510为C545T发光光谱与器件结构为AU20NM/NPB70NM/C545TALQ315NM/ALQ350NM/AL100NM的出射光光谱的比较，可以看出该结构的器件有明显的微腔效应。因为相比较于有机发光本身的发光光谱，强共振腔器件表现出较窄的光谱，这是由于光在强微腔结构中会产生多光束干涉，使得满足微腔特定共振条件的光增强输出，另一方面则会抑制其他光线的出射。这也使得器件有较佳的色纯度。4505050606500510归一化后的发光强度波长/NMC54T发光光谱器件发光光谱图510微腔结构对器件光谱的影响4505050606500510归一化后的发光强度波长/NM10NM2340N5M图511模拟计算改变ALQ3层厚度时器件的发光光谱的改变图511展示了OLED器件在不同ALQ3电子传输层厚度下模拟得出的EL光谱。从图中我们可以看到当ALQ3的厚度增加，EL光谱变宽并发生红移，这是由于微腔的作用导致的。电子传输层的厚度增大，导致了微腔的腔体变长，从而使光谱产生红移。50506065000510波长/NM归一化后的发光强度50NM670N8M90N图512模拟计算改变NPB层厚度时器件的发光光谱的改变图512展示了模拟的OLED器件在不同NPB空穴传输层厚度下模拟得出的EL光谱。从图512中我们可以看到当NBP的厚度增加，EL光谱变窄和蓝移。虽然通常认为ETL的厚度要比HTL的厚度更加明显的影响器件的性能。然而，这只有在微腔效应很弱的情况下才是正确的，例如，在ITO为阳极的器件中。在这个研究中，金阳极的反射率远大于ITO的反射率，并且有着金阳极的器件呈现出更强的微腔效应（尽管这仍是一个弱的微腔）。而光谱的变窄也是由于微腔对于光的作用导致的。4505050606500510波长/NM归一化后的发光强度10NM230N4M50N图513模拟计算改变发光层厚度时器件的发光光谱的改变。模拟计算中我们所模拟的器件结构为AU20NM/NPB70NM/C545TALQ3D3NM/ALQ360D3/AL100NM，我们分别模拟画出D310NM，20NM，30NM，40NM和50NM时，器件归一化后的光谱图。由图513可以看出随着发光层的厚度增加，发光光谱半峰宽逐渐变宽，并产生一定的红移。这是由于发光层的增加，使光源到达金属阴极的距离缩短，我们之前假设发光层为每隔1NM为一个层状的发光源，由于金属阳极和金属阴极的反射作用这些发光源形成了较强的光干涉，从而扩展了发光光谱，并且使光谱产生一定的红移。图514AU作阳极模拟得到的器件亮度随角度变化图515ITO做阳极模拟得到的器件亮度随角度变化接下来我们对比一下采用ITO电极和AU电极对于器件亮度和出光角度的影响。从图514和图515可以看出模拟的AU作为阳极的器件的可视角最大可达到50，ITO作为阳极的器件的可视角大概只有45。其中，具有AU阳极的器件亮度可以保持在040稳定，而ITO电极的器件为030。两者亮度相差也是很大。因此我们可以看出具有强微腔结构的器件，可视角度更大，亮度更高，可以改善器件性能。由前面的工作可知，我们改变电子传输层和空穴传输层的厚度，对于器件的性能有着很大的影响。因此为了得到最优化的器件结构，我们分别改变ALQ3和NPB的厚度来得到器件的最佳亮度。图516为我们模拟计算出的器件结构为AU20NM/NPBDNBPNM/C545TALQ330NM/ALQ3DALQ3NM/AL100NM的器件垂直方向的亮度图，由图中我们可以看出，在ALQ3厚度为50NM，NPB厚度为20NM时，器件的亮度就已经可以达到很高。图516ALQ3层和NPB层厚度均改变时器件亮度变化情况三、项目成果项目申请书中的预期成果及成果提交形式公开发表论文（1）篇、专利（）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（）件、竞赛获奖（）次其它（）项目结题时取得的成果公开发表论文（）篇、专利（）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（）件、竞赛获奖（）次其它（）项目主要研究成果情况序号成果名称（获奖名称及等级）成果形式作者（获奖者）出版社、发表刊物或颁奖单位时间（刊期）123456四、研究体会和心得（500字以内）在进行课题的一年时间里，小组成员共同努力，学到很多。首先是收集资料、阅读、整理文献的重要性。学习文献，能了解到课题相关方面的最新进展。前人的工作成果能给我们极大的指导，并且避免实验走一些弯路，减少工作量。其次，在本次试验中，我们认识了很多新的仪器并掌握它们的操作方法，为以后学习积累经验，打下