有機(jī)發(fā)光器件(organic?light-emitting device)具有良好的色彩飽和度、大的可視角度以及低功耗等特點(diǎn)。然而,器件在效率和穩(wěn)定性方面仍然有所欠缺。盡管能夠通過添加磷光材料實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電荷-光(charge-to-light)的一致轉(zhuǎn)換,其折射率對(duì)比度(refractive index contrast)仍然將設(shè)備外可觀測(cè)的光子部分降低到了大約25%。
此外,在OLED工作過程中,緩慢衰減的三線態(tài)激子和電荷的局部累積會(huì)逐漸降低設(shè)備的亮度(即老化),從而導(dǎo)致所謂的燒屏(burn-in effect)問題。同時(shí)提高器件的效率和穩(wěn)定性是OLED技術(shù)上的一大難題。
表面等離子體廣泛存在于金屬與周圍電介質(zhì)的界面處。這些電子沿著金屬表面的集體震蕩會(huì)導(dǎo)致極大的電場(chǎng)以及在可見和紅外光區(qū)域衰變率的一個(gè)量級(jí)上的提高。然而,這種耦合通常被認(rèn)為是會(huì)降低OLED器件性能的。
無線風(fēng)光在險(xiǎn)峰!美國(guó)環(huán)宇顯示技術(shù)股份有限公司(Universal display corporation)的研究人員Nicholas J. Thompson等人反其道而行之,利用了等離子體系統(tǒng)的衰變率提升效應(yīng),采用基于納米粒子外耦合的方案從等離子振蕩模中提取能量,制備了高效且穩(wěn)定的OLED器件。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示,在相同的發(fā)光強(qiáng)度下,改進(jìn)后的器件的工作穩(wěn)定性提升了兩倍,理想情況下能達(dá)到4倍的提升。這種普適性的提高OLED器件穩(wěn)定性的方法對(duì)目前采用OLED技術(shù)的照明、電視、手機(jī)顯示屏都適用。
【器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】
通常情況下,由于淬滅的激子能量以熱的形式耗散,OLED器件金屬電極的非輻射表面等離子振蕩模被認(rèn)為是一種損耗。迄今為止大部分工作都致力于最小化這種損耗。而作者有意將OLED器件陰極的表面等離子振蕩模與能量耦合,從而降低器件中激發(fā)態(tài)的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)激子密度。作者以采用磷光發(fā)射物質(zhì)Ir(ppy)3的OLED器件作為樣品(圖1a),發(fā)光層與銀(Ag)陰極距離不足20 nm,以實(shí)現(xiàn)與表面等離子振蕩模的耦合,進(jìn)而提高衰變速率常數(shù)(decay rate constant)。隨后。在介電層上制備的銀納米立方體(圖1b)能夠與頂部發(fā)出的光進(jìn)行外耦合(out-couple),作者將該器件稱之為基于等離子納米貼片天線(plasmon nanopatch antenna, plasmon NPA)的有機(jī)發(fā)光設(shè)備。
【發(fā)光壽命測(cè)試】
在電流為80?mA cm-2的加速的恒流老化測(cè)試中,這種NPA器件的工作穩(wěn)定性比傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似的有機(jī)磷光發(fā)光設(shè)備(OLED incorporating organic phosphors, PHOLED)提升了約三倍(圖2a)。圖2的外部量子效率(external quantum efficiency)測(cè)試可以看出,傳統(tǒng)PHOLED的外部量子效率在10 mA cm-2時(shí)為13%,這是建立在他們僅能單面發(fā)光的情況下(一側(cè)為透明電極,一側(cè)為不透明電極)。而NPA器件能夠?qū)崿F(xiàn)頂部和底部共同發(fā)光(底部為透明電極發(fā)光BE emission,頂部為表面等離子振蕩模提供的能量被轉(zhuǎn)換為光子發(fā)光TE emission)。在高電流密度條件下,NPA器件比傳統(tǒng)器件的維持的更好,這可能是由于多粒子間的相互作用,包括三線態(tài)-三線態(tài)湮滅(triplet-triplet annihilation)、三線態(tài)-極子湮滅(triplet-polaron annihilation)等。此外,瞬態(tài)熒光測(cè)試(圖2c)NPA器件的衰變時(shí)間更短,僅為267 ns(兩個(gè)對(duì)比器件分別為404與521 ns),這可能導(dǎo)致了器件中三線態(tài)激子濃度的下降,從而表現(xiàn)出較低的外部量子效率。
【光學(xué)特性模擬與測(cè)試】
作者還對(duì)具備銀納米立方體貼片天線的器件(圖3a左)和不具備銀納米立方體的器件(圖3a右)在525 nm處的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示具備銀納米立方體貼片天線的器件在空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度更高,證實(shí)了該結(jié)構(gòu)在光增強(qiáng)中起著主導(dǎo)作用。NPA器件的總外部量子效率為13%(頂部發(fā)射+底部發(fā)射),與對(duì)比設(shè)備相似。圖3b為NPA器件的外耦合光譜,由于與Ir(ppy)3的發(fā)射光譜有所偏移,導(dǎo)致了外耦合效率的降低。如果能夠100%重疊且所有激子都能夠參與耦合,預(yù)計(jì)將達(dá)到約20%的頂部發(fā)射外部量子效率。
最后,作者指出,在僅使用頂部發(fā)射光源的情況下,NPA器件能夠連續(xù)142小時(shí)提供高達(dá)10 000 坎德拉每平方米(cd-2)的光強(qiáng),約為對(duì)比器件(78小時(shí))的兩倍。如果能夠?qū)㈨敳颗c底部發(fā)射光都用于耦合,器件壽命將達(dá)到363小時(shí)。
總結(jié):作者展示了通過表面等離子耦合提高衰變率來增強(qiáng)OLED發(fā)光穩(wěn)定性的方法。并在實(shí)驗(yàn)中觀察到了近4倍的壽命增加。這種一直被認(rèn)為是有害的方法為OLED的設(shè)計(jì)提供了新的思路,大大推動(dòng)了低成本照明、高亮度顯示以及藍(lán)光有機(jī)磷光發(fā)光設(shè)備的發(fā)展。
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