文摘

平面的out-coupling效率有机发光二极管(oled)只有大约20%是由于因素,如全内反射,表面等离子体耦合,和金属吸收。二维周期性纳米结构,如光子晶体(phc)和微透镜阵列提供了一个潜在的方法来提高oled的out-coupling效率。在这项工作中,我们采用的时域有限差分(FDTD)方法来探索不同的机制,嵌入式phc和表面phc提高out-coupling效率。几个参数的影响,包括填充系数、深度和晶格常数。结果表明,嵌入式phc提高out-coupling效率起到关键作用,并增强因子与嵌入式phc oled,获得了240%而oled的增强因子与表面过去只有120%。此外,使用模式理论和它的现象进行了分析证明之间的重叠模式和过去有关的垂直分布模式配置文件。提取效率的提高超过290%是观察到的双phc oled的结构进行了优化。这个拟议的结构可能是一个非常有前途的候选人为萃取效率高oled。

1。介绍

由于宽视角的优点,较低的工作电压,快速响应时间,和灵活性,有机发光二极管(oled)近年来迅速发展,已经成功地应用于平板显示器和固态照明1- - - - - -3]。提取效率 有关内部量子效率 有机材料和out-coupling效率 的多层平面结构: 内在效率已大大提高了磷光矿车的使用(4]。不过,oled的out-coupling效率仍很差(只有约20%)。这个来自斯涅尔定律。因为高折射率的碳管分散(ITO) /有机层和衬底层,只有一小部分的总光能够逃离发光电介质到空气中。oled的活跃地区的光子耦合分为三种模式:模式直接传播到空气中,玻璃全内反射模式,高指数ITO /有机引导模式。有各种方法提高oled的萃取效率。这些方法可以分为两类,一是将一些纳米结构或低折射率材料提取substrate-guided substrate-air界面模式,如,衬底表面粗化5)和使用微透镜阵列(6]。之间的另一种方法是插入一些周期性纳米结构金属阴极和衬底层恢复的波导损耗ITO /有机层,例如,使用一个折射率调制层(7[]或光子带隙结构8]。

光子晶体二维周期性纳米结构(phc)曾被使用,目的是增加的提取效率GaN-based发光二极管(led) [9,10]。类似地,可供结构可以被添加到oled器件增加out-coupling效率。OLED out-coupling效率水平可以提高通过优化2 d phc的结构特点,特别是晶格常数(时期),深度、填充系数和晶格对称性(正方形或三角形晶格)。

本文组织如下。在第二节中,我们提供了一个实际的oled的结构模型,以分析机制,影响光out-coupling特征。在本部分中,2 d phc结构的机制提高oled的out-coupling效率。节3,我们采用的时域有限差分(FDTD)方法模拟out-coupling oled的效率和描述的体系结构中使用的设备模拟。节4为了找到最佳的结构,我们扫描二维周期性纳米结构的结构特征(嵌入式phc和表面phc),如,深度,填充因子。二维周期性纳米结构的影响讨论了提高out-coupling oled的效率,然后发现嵌入phc的关键行动改善out-coupling效率(240%左右),但表面phc的贡献可怜的(只有120%)。此外,我们使用模式理论,分析现象,这表明之间的重叠模式和过去与垂直模式配置文件。在这一部分的最后,一个优化的oled的结构与表面phc的衬底和嵌入式phc ITO层和衬底层之间的设计。最后,给出了结论。

2。oled微腔模型和过去

一个示意图如图oled的结构1。典型的oled的结构是一个多层平面结构的反射金属接触层、ITO层( ),基质层( )和有机层( )包括一个洞注入层,运输层,一个洞一个发光层,电子传输层,和一个电子注入层。发射光的一小部分直接进入空气,因为会发生全内反射在air-glass glass-ITO接口和接口。这导致法布里-珀罗(.)微腔oled的概念11]。out-coupling损失造成的表面等离子体极化声子(许可证),波导模式,基质模式,和电极吸收,如图1。由于许可证的界面金属和有机(介质),约36%的生成光消散散射光或非辐射的发射阴极地区。根据全内反射发生在air-glass glass-ITO接口和界面,更大的部分的反射光是局限在衬底层和有机/ ITO层可以作为基质模式指导(22%)和波导模式(20%)。产生百分之四的光吸收的金属电极。因此,只有约18%的光可以逃离规划师oled。被困的总能量为基质模式和波导模式上升到40%。为了提高光提取效率,首先光局限在衬底层和有机/ ITO层oled的传统平面结构应该提取。


图1
种光out-coupling普通oled的损失。

过去曾被用于提高萃取效率GaN-based领导,领导的过去和最好的光提取效率达到73%不使用密封剂(12]。过去重要介质扰动波长的规模,提供控制光线传播的媒介。引导模式,传播在高指数层可以表现为一种有效的索引 ,小于衬底指数 的wavevector 在哪里 是指数的低指数层, 方式是传播角度, 是全反射的角度。如果wavevector模式 从基质层,光线会辐射到低指数层,形成漏水的模式。在过去,引导模式成为布洛赫模式(12)和wavevector 现在其他谐波耦合 由互惠晶格向量 ,提高萃取效率。衍射光引导进入低指数层,晶格常数 过去的需要满足衍射条件, 在哪里 和 是一个整数(确定哪些谐波负责衍射低折射率层)。布洛赫模式又被称为漏水的模式,因为它的功率泄漏低指数层,因为它传播。因此,过去可以提高oled的光提取效率。衍射条件取决于波长,晶格常数和模式传播角度。

3所示。数值分析

在这项研究中,三维(3 d)有限差分法模拟,这是一个时间和空间离散化的麦克斯韦旋度方程(13]。FDTD计算域如图2。模拟结构是由一层玻璃,一种罪恶x层,一层ITO,有机层和金属层接触。2 d phc嵌在玻璃衬底界面或位于玻璃层的顶面,如图2(一)和2(b)。偶极子源被选为激励源,因为它已经证明了electron-hole-recombination经典可以表示为一个偶极子(14]。多个偶极子源内在适合活性层的模拟3 d FDTD方法。然而,使用多个偶极子源的尝试以及周期性延拓边界条件不方便,因为它会导致一个非物质的干扰模式。因此,一个偶极子源在有限计算域被选中。此外,完美匹配层(PML) [15)封闭整个模拟域是用来吸收即将离任的海浪和避免物质反射(见图2)。此外,在模拟使用非均匀网格,网格尺寸是15海里的x和y方向和10纳米z方向。


图2
图表OLED的结构(a)嵌入式phc ITO层和衬底之间(b)表面phc蚀刻在衬底上。

功率损耗的材料(ITO和玻璃)在模拟以来被忽视的虚部ITO和玻璃的波长指数为零,收于0.55点μ米(见图3)[16]。


图3
索引的虚部是波长的函数。固体红线显示索引的虚部的ITO而扎实的黑线表示索引的虚部的玻璃。

提取效率 从功率通量计算从oled中提取 对总的发射功率从活动的层 (见图2):

与 功率流集成在略高于oled的结构和一个平面 集成功率通量飞机正常x,y,或z封闭源代码。+和−迹象表明功率流平行或反平行的相应的轴。

提取效率提高的因素 被定义为: 在哪里 与phc的萃取效率oled的结构,然后呢 是传统的oled的萃取效率。

在下面,继续导波是用作源在有机层,其真空波长为0.55μ米在有机层的中心平面。增强输出的耦合效率,研究了基于该标准的嵌入式phc填充系数 和蚀刻深度 μm(如图2(一)),当周期从0.3变化μ米至1.4μ米(见图4)。三角晶格的填充因子和平方晶格phc表示,分别如下(17] 在那里, 是孔的半径装满玻璃图吗2(一)或空气孔图2(b),从图4,可以看出三角phc的增强因子是约等于平方晶格phc时期时改变了从0.3μ米至0.7μ然而,米。 的三角phc显然远远大于0.7平方晶格之间的时期μ米至1.4μ米,平均 三角晶格也比平方晶格过去。因此,三角晶格可供选择接下来的模拟,因为他们有更好的表现比广场。


图4
三角晶格phc的增强因子和平方晶格phc作为时间的函数。

的依赖性增强因子 在phc填充系数如图5这表明, 较低时,填充系数太小或太大。增强了约为最高 。这些结果与[协议18]。


图5
增强的out-coupling效率作为填充系数的函数。

优化的过去是很困难的,因为它涉及到解决多参数反问题。有无数的组合真空波长、晶格对称性,时期(晶格常数),填充系数和phc的深度,很难说哪一个给最有效的phc结构能量释放被困在oled的结构。从上面的讨论中,为了简化问题,我们选择三角晶格phc填充系数 分析out-coupling效率的增强使用真空波长 μm。在下一节中,我们专注于研究phc的影响参数,如晶格常数(时期),热解烃深度和厚度的ITO层增强输出耦合效率。

4所示。仿真结果和讨论

4.1。的影响嵌入式phc的增强Out-Coupling效率

与嵌入式phc的OLED,依赖的增强phc参数计算是基于标准的嵌入式phc结构 μ米,深度 μ米,罪恶的厚度x层 μm, ITO层的高度 μm如图2(一)。每个参数不一而其他参数保持不变,和增强因子 计算了。不同的 年代的光out-coupling效率 变化从0.3μ米至1.4μ计算如图6(一)。从图6(一),可以看出 很低的时候 太小或太大。的 当被保存在一个更大的价值 从0.5μ米至1.1μm。wavevector 成为了布洛赫从衬底层模式和辐射到低指数互惠晶格层的向量 根据理论部分2。互惠晶格向量 决定了 的过去。显然,每个指导模式都有一个单独的最佳互惠晶格向量最大提取和衍射到低折射率层。oled的结构是一个多模波导,和单一时期几乎提高了总提取率的所有模式。因此,它是合理的 的 被选的实验。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
增强的光out-coupling效率的函数(a)段过去p,(b)热解烃深度嵌入到罪恶x层d,(c) ITO层的高度h,和(d)总ITO层的高度H。

增强因子 是绘制深度图的函数6 (b),这表明 与深度的增加 增加。获得了172%的最大价值0.4的深度μm。在这种情况下,过去的深度 等于罪恶x层。这意味着一个更大的 可以通过蚀刻phc深感罪恶x层。的 随着phc的深度增加,这与垂直导向的重叠模式概要与phc层。对于小型phc深度 μ米,衰减长度(18]phc层内的引导模式概要文件大于腐蚀深度,因此,找到急剧增加,直到模式配置文件可忽视地穿透到低指数层。为 μ生长因子m,增强自引导模式是挤压金属层和过去之间越来越多的层。

铟锡氧化物层的高度的影响 也被调查。增强因子之间的关系 和 这是改变从0μ米至0.4μ米图所示6 (c)。的 几乎线性减少增加 时,最大的价值187%获得了高度ITO层是0μm。因为波导模式的力量主要是局限在该地区之间的ITO /有机层和过去,越小 导致高的能量集中在phc层。从理论上讲,最大的增强因子,ITO层的高度应该选为0μm。然而,这是不合理的,因为伊藤层是oled的电极。过去可以直接在ITO层图案的玻璃量筒取代过去的罪恶x层。此外,没有明显退化典型操作条件下的电特性(19]。

花纹phc ITO层是一个很好的选择改进的增强因子out-coupling效率。图案ITO层是波纹管捏造出来的方法,通过有机层ITO层深深铭刻和洞里满是玻璃。ITO phc的高度的影响 关于加强out-coupling效率进行了研究,和增强因子 out-coupling效率时被发现 变化从0μ米至0.5μ米图6 (d)。的 显著的增加 改变了从0μ米至0.3μm衰减长度。18引导模式的简介在phc层大比 ,因此急剧增加,直到被发现 μ米。然后一个振荡的范围 , 逐步达到一个恒定的180%。由于低阶模式强烈消散在蚀刻区域,其衍射不显著增加 比~λ (9), 是过去的平均指数层。它可以表示如下:

峰值发生在一个高度 等于0.3μm。然而,这种提升趋势近似保持不变在这个深度,改为波动phc蚀刻更深。这意味着没有更多的受益于ITO更深一层。

完全解释的变化趋势如图6 (d),普通的oled的垂直模式配置文件结构如图第一次讨论7(实际上,有许多模式的多层平面结构,我们使用四个模式的表达模式配置文件)。如图7(一),这些低阶模式的力量是在ITO /有机层,所以嵌入式phc可以用来提高out-coupling效率通过提取这些低阶模式的力量。图7(b)是权力的高阶模式配置文件位于基质层。同样,out-coupling效率是使用表面增强phc提取高阶模式的力量。这些低阶模式与ITO phc粗细的分布 提供了图8。过去的索引层可以通过公式(7),这是比玻璃和小于的索引的索引有机层。以来,这些低模式慢慢渗透到phc层 增加从0μ米至0.5μm,过去这些模式之间的相互作用增加,因此out-coupling效率增长与变化 。当 μ米,顶阶模式进入phc层,和大部分的力量一阶模式逃离有机层。基态的峰值模式可供层,其权力部分仍然在有机层。基态的峰值模式变得越来越接近phc层 增加,因此这种模式的重叠与phc基质增加,力量强衍射。当 μm,基态的峰值模式很接近过去仍在高指数层,out-coupling效率保持不变在180%小振荡。


图7
普通的垂直模式概要oled的结构。(一)低阶模式(b)高阶模式。

图8
垂直的低阶模式概要文件嵌入ITO phc oled的结构。该地区的红色矩形是phc层。

获得更高的光提取效率,过去通过活跃层蚀刻一直用于GaN-based领导(20.]。一个标准的嵌入式phc oled结构为0.3μm phc模式ITO层用于模拟,和玻璃量筒渗入有机层厚度 。增强因子 的结构与 从0变化μ米至0.2μ0.01米的间隔μ米计算。这些结果在图所示9。发现增强因素 几乎线性从大约180%增加到240% 改变了从0μ米至0.2μm。转折点发生在厚度等于0.13μm。当 μ米,增加线的斜率大于 μ米,是获得最多240% μm。同样的,普通的垂直模式概要oled的结构进行了研究。如图10峰的一阶模式完全渗透到phc层,这很难影响out-coupling效率。为了简化问题,只有基态模式被认为是。这个模式变得越来越接近的峰phc层时 改变了从0μ米至0.1μm。这意味着之间的交互模式和过去变得越来越强。当 μm,基态的峰值模式完全进入phc层,模式和phc的重叠陡峭得多提高,获得了最多240% μm。


图9
增强的因素 的结构与厚度 。

图10
oled的垂直低阶模式配置文件结构与phc嵌入有机层。该地区的红色矩形是phc层。
4.2。影响表面的phc的增强Out-Coupling效率

分析表面phc的效果增强的光提取,我们使用嵌入式phc的方法类似。我们使用phc表面结构 μ米,深度的过去 μ米的标准结构(见图2(b))。增强被描述为一个函数的时期 和深度 在数据10(一)和10(b),最高的增强因子 期了吗 μm。结果是接近嵌入式过去,但有点不同,最高只有120%。从图11 (b),它可以发现光out-coupling效率显著增加表面phc蚀刻时从0μ米至0.35μ米。这是归因于强劲的高阶制导模式和过去之间的重叠。如图12,这些模式的山峰慢慢进入phc层 增加。更为高阶的力量引导模式无法逃脱基质层。当 μm,这提升的趋势停止,改变波动为phc蚀刻更深。因为山峰高阶模式一直位于phc地区,深蚀刻phc不能提高这些模式之间的互动和过去。这意味着没有额外受益于钻洞越来越深。从仿真结果,发现表面phc发挥差作用增强out-coupling oled的效率(120%左右)。在实验中,增强的因素 大约130%的表面获得了过去(21]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
增强out-coupling效率的函数(a)和(b) phc的深度。

图12
垂直的高阶模式的oled的结构与表面过去。该地区的红色矩形是phc层。
4.3。oled的结构优化和嵌入式phc表面过去

我们设计了一种OLED的结构和嵌入式phc和表面phc(见图13)。嵌入式phc的参数被设置为 μ米,伊藤层的高度 μ米,深度 μm。伊藤层和有机层与phc的使用玻璃。同时,可供结构表面 μm和深度 μ米在衬底的表面蚀刻。一个增强的因素 获得的290%是通过FDTD模拟。图(14日)表明,与普通的垂直配电oled,大多数的发射光有机层是在高指数层。发出的光被嵌入的phc重新分配(22在这个结构,如图14 (b)光,因为可以很容易地由嵌入式可供提取。从显示的结果部分4.2,发现过去重要贡献提高oled的out-coupling效率。表面phc可以提取的一小部分光(高阶模式的力量),如图14 (c)。嵌入式phc的结构和表面phc(见图14 (d))提供了一个有效的方法来避免能量传播到ITO /有机层和衬底层,为低阶模式的提取和高阶模式。这个拟议的结构可能是一个非常有前途的候选人为萃取效率高oled。


图13
图表优化OLED的结构和嵌入式phc表面过去。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图14
普通oled的垂直配电(a)、(b)与嵌入式phc oled, (c)与表面phc oled, (d)与嵌入式phc oled和表面过去。该地区的黄色矩形是phc层。

5。结论

在本文中,我们采用的时域有限差分(FDTD)方法的改进研究phc out-coupling效率使用嵌入式phc和表面。过去的一些参数包括填充系数、深度和晶格常数。结果表明,嵌入式过去扮演着一个关键角色,提高out-coupling效率,获得了187%的最大使用罪x过去,获得了240%的最大价值在过去被腐蚀成有机层。out-coupling表面phc的效率只有120%左右,因此在提高out-coupling效率很差的作用。然后我们通过使用模式理论,分析了现象,表明低阶的模式和高阶模式应该修改为逃避oled使用过去的两倍。它表明,重叠模式和过去与垂直模式配置文件,它是一种有效的尝试提高光提取效率通过改变垂直模式的分布配置文件。最后,提取效率的提高超过290%是观察到的双光子晶体模式进行了优化。这个提议,结构可能是一个非常有前途的候选人为萃取效率高oled。

确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(61077043)、中国国家基础研究计划通过键盘。2009年cb930503和2009 cb930501。作者要感谢特文特大学的曼弗雷德博士锤为他提供的代码,是模式分析的基础数据所示8,9,11,12。作者还要感谢博士爱德华·c·等山东大学,语言的建议。