王學良，錢敏，2

（1 蘇州大學電子信息學院電子科學與技術(shù)系，江蘇蘇州 215006）

（2 蘇州城市學院 光學與電子信息學院，江蘇 蘇州 215104）

0 引言

目前，在有機發(fā)光二極管（Organic Light-emitting Diode，OLED）電子顯示應用領(lǐng)域，由于頂發(fā)射OLED（Top-Emitting OLED，TEOLED）器件具有近乎100%的開口率，大多數(shù)制造廠商采用了該技術(shù)。與傳統(tǒng)的底發(fā)射技術(shù)相比較，由薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）驅(qū)動的有源矩陣有機發(fā)光二極管（Active Matrix OLED，AMOLED），其采用半透明的材料，銦錫氧化物（Indium Tin Oxide，ITO）或者金屬薄膜，作為頂部出光陰極。這類TEOLEDs［1-6］能夠制備在任意的襯底上（如硅片和玻璃）淀積形成反射金屬陽極，中間夾層為多層發(fā)光有機異質(zhì)結(jié)。迄今為止，ITO 是非常好的透明電極材料，得到廣泛應用。然而，ITO 的功函數(shù)比較高，不適合陰極電子注入，會降低器件效率。其他比較大的問題是，ITO 采用的銦是比較稀有的昂貴金屬材料，同時形成ITO 采用濺射工藝，容易損傷有機功能層。ITO 是脆性的，也不適合在柔性襯底上運用［7-8］。因此，探索ITO 的替代材料非常有必要、有意義。由于金屬Ag 薄膜具有相對高的透光性和延展性，其經(jīng)常被用來替代ITO。

通常在出光陰極表面沉積高折射率介質(zhì)覆蓋層，可以增強耦合出光效率。如用無機的ZnSe、ZnS、MgF2、SiO2、ITO、ZnO、TiO2，有機的Alq3、NPB、BCP 等材料覆蓋Ag 陰極［9-16］，都觀察到了器件出光效率不同的增強幅度。對于器件的效率，不同的材料存在一個最優(yōu)厚度。

研究者對陰極伴隨不同厚度的覆蓋層做了透射率測試，當在最高透射率時，做成的器件效率卻不一定是最高，有時甚至效率相當?shù)停?2］。HUANG Qiang 等［13］則認為覆蓋層對器件效率的增強是由于具有高反射率的反射陽極和弱反射陰極之間的微腔效應導致的。還有些論文認為［14］，該增強效果源自于其對表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）損耗的抑制，但并未給出詳細物理圖像的描述。因此，對覆蓋層增強的機理研究是有意義的。本文采用經(jīng)典光學膜理論和表面等離子體激元理論對該問題進行仿真和實驗研究。

1 仿真計算

1.1 金屬誘導透射

在TEOLED 應用領(lǐng)域，金屬膜用作透明電極，其核心問題是透光率的研究。許多實驗研究表明用無機或有機薄膜覆蓋在金屬膜上能增強透射［17-18］。有時該覆蓋層被稱作折射率匹配層，相當于形成了DMD（Dielectric/Metal/Dielectric）結(jié)構(gòu)。但深層的物理機制研究比較少。以前的研究中，實驗研究偏重于經(jīng)驗結(jié)果，沒有形成系統(tǒng)的理論。必須對金屬類型的選擇、覆蓋層材料類型和厚度的選擇、透明度增強的機理等進行比較深入的研究。

事實上，在薄膜光學和光學系統(tǒng)研究領(lǐng)域，金屬膜被廣泛應用于設計光學濾光片，這相應于金屬誘導增透效應（Metal Induced Transmission Filter，MITF）［19］。該理論指出，金屬膜對光波的吸收和透射不僅決定于該金屬的折射率、消光系數(shù)和厚度，同時也決定于臨近的介質(zhì)的光學阻抗。在薄膜光學研究中，基于MITF效應的增透技術(shù)設計方法非常成熟，其典型模式表示為

λ/4 增透膜即減反膜。本文沒有應用該方法，是因為光學濾光片設計和TEOLED 的應用場合不同。以上λ/4 減反膜設計幾乎不可能運用于TEOLED 的制備。該結(jié)構(gòu)相應于OLED 器件中的陰極電子注入和傳輸層，一方面有機層的折射率是固定的，不易調(diào)整來滿足光程匹配條件達到減反條件；另一方面，復雜的薄膜蒸鍍制備過程，增加了難度和成本。相對來說，覆蓋層增透非常簡單，具有實用意義，其只涉及介質(zhì)選擇和厚度優(yōu)化問題。

首先采用經(jīng)典薄膜光學理論中的光學傳輸矩陣法來解釋該透射增強，并用實際的TEOLED 制備和測試來驗證。該計算方法涉及到金屬的介電函數(shù)、復折射率、透射率、反射率等相關(guān)參數(shù)的計算，涉及能量反射率R、透射率T、吸收率A、等效界面的反射相移φ［20］，即

式中，Y=C/B，B、C可以通過光學傳輸矩陣計算得到

式中，η0，ηj，ηk+1分別是入射介質(zhì)、第j層和出射介質(zhì)的光學導納。為簡便起見，只討論垂直入射和出射，在該情況下，光學導納精簡為折射率，并且對s 波和p 波而言，形式統(tǒng)一。δj=2πNjdj/λ是j層的有效相位厚度，Njdj是光學厚度。

金屬的折射率參數(shù)，取自光學手冊［21］，并對參數(shù)進行擬合，得到符合洛倫茲-德魯特模型（Lorentz-Drude）的擬合參數(shù)［22-24］

式中，ωp是該金屬的體等離子體頻率，γ0是自由電子的衰減因子，f0是一個原子中的自由電子比例，ωj是束縛電子的本征頻率，γj是束縛電子的衰減因子，fj是束縛電子的比例，K是所有束縛電子的種類數(shù)目。折射率是介電函數(shù)的平方根，對金屬而言，也是個復數(shù)。

采用MATLAB 仿真計算，為金屬類型的選擇和金屬薄膜厚度的選擇提供理論依據(jù)，該部分內(nèi)容參看本課題組發(fā)表的論文［25-26］。結(jié)果顯示，對于金屬選擇，薄膜Ag 的透光度比Al 膜性能好。在可見光波段，銀的折射率和消光系數(shù)都比鋁小。10 nm 的銀有很好的透光率，達70%，即使厚度為20 nm，透光率仍然有41%。但20 nm 以下的銀膜由于成膜性能差，導致其電阻率增加，器件驅(qū)動電壓升高，可靠性差。所以本文采用20 nm厚度兼顧透光率和導電性能。盡管20 nm 的銀膜的透光率只有41%，但其反射率增加，考慮雙金屬電極中存在的微腔效應，器件出光性能并不一定會下降。

1.2 微腔效應

頂發(fā)射器件和普通的底發(fā)射器件的不同之處是存在法布里-珀羅（Fabry-Pérot）光學共振腔（微腔）效應。該效應源自兩個金屬電極的高反射率。光學共振能改變光場的分布，從而影響光子壽命和發(fā)光偶極子的發(fā)光效率［2］。微腔結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中T2是頂陰極電極的透射率，A2是其吸收率，R1和R2是兩個金屬電極的反射率，I0和E0是偶極子光場強度和偶極子輻射電場強度，I2和E2是相應的出射光參數(shù)。假定輻射激子所處的位置，距離陽極反射面距離為L1，距離陰極透射面的距離為L2，這樣總的腔長L=L1+L2。

在輻射出光面，如圖1（a）所示，激子輻射出來的光來自兩部分：一部分為直接從陰極M2透射出來的光，另一部分來自輻射光經(jīng)陽極反射面M1反射并經(jīng)M2透射出來的光。根據(jù)薄膜光學原理，直接出光和反射出光之間會形成廣角干涉，如圖1（b）所示；反射出光部分，經(jīng)多次反射后，出射部分光之間形成多光束干涉，如圖1（c）所示。從半透明陰極垂直出射的光強度可以表示為［25］式中，分子表示廣角干涉效應，分母表示多光束干涉；G（λ）為增益因子，F(xiàn)（λ）是微腔因子，ni和di對應于微腔中第i層的折射率和厚度，nj和dj是指激子靠近反射陽極一側(cè)各層介質(zhì)的折射率和厚度，總長度為L1，λ是出射光波長，φ1（λ）和φ2（λ）是兩個反射電極的反射相移。反射相移的計算采用光學傳輸矩陣法，根據(jù)式（1）、（4）、（5）計算得到，具體的仿真計算條件，見本節(jié)后述。當多光束干涉和廣角干涉發(fā)生相長干涉時，出射光強度達到最大值，其滿足條件

式中，m，m'=0，±1，±2，…，λ是共振波長。式（8）表示微腔中發(fā)生多光束干涉相長，能夠用來確定整個微腔的長度。式（9）是發(fā)生廣角干涉相長的條件，可以用來確定輻射偶極子在腔中的位置。采用反射相移φ1，φ2來替換式（8）、（9）中的因子并取m=0 來確定微腔長度參數(shù)。整個腔長的改變，對出射光的波長具有選擇性。

光程參數(shù)可以通過光學傳輸矩陣法［20，27-28］，編寫MATLAB 仿真程序計算得到。陽極仿真結(jié)構(gòu)為：玻璃|Al（100 nm）|有機層。有機層的介電常數(shù)為1.7，光學反射率R=87%（λ=528 nm，是底發(fā)射Alq3OLED 的峰值波長）。計算得到的反射相移φ1=2.616 9 rad。陰極結(jié)構(gòu)是：有機層|Ag 20 nm［25-26］，其反射相移φ2=1.799 5 rad。Ag 介電函數(shù)通過計算Lorentz-Drude 模型得到［21，23-24，29-32］。

2 實驗

基于式（7）和（8）的仿真結(jié)果，選擇器件的各層有機薄膜參數(shù)如圖2 所示（考慮發(fā)光界面在Alq3|NPB 交界面上），圖中同時列出了各層的折射率。

100 nm Al 作為反射陽極是由于其沉積在玻璃表面具有良好的平滑成膜性能，這樣不會導致粗糙度引起的器件短路。有機光電材料導電率比較低，但NPB 具有相對高的導電率；在器件制備過程中，變化空穴傳輸層NPB 的厚度來滿足微腔共振條件方程（8）和（9），不同的陰極Ag 厚度對應不同的相移。同時由于其相對高的穩(wěn)定性和易于蒸鍍的特性，采用NPB 作為陰極覆蓋層。

制備3 個系列不同陰極Ag 厚度的器件（20/40/60 nm），每個系列器件，變化NPB 覆蓋層厚度從0～150 nm，步長間隔15 nm。光電性能測試包括亮度、I-V曲線、電流效率、光功率效率、光譜等。

3 結(jié)果

在圖3（a）、（c）中，所測器件的陰極Ag 厚度為20 nm?？梢钥吹焦庾V的半高寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）在覆蓋層為45 nm 時，有一個最大值，約78 nm。根據(jù)微腔理論，微腔效應的強度與兩個反射面的反射率相關(guān)，反射率越高，微腔效應越強，微腔對共振波長的選擇性越強，光譜峰的半高寬越窄；反之，假如出射面內(nèi)側(cè)的反射率越低，共振峰的半高寬越寬。實驗結(jié)果表明，存在一個最大半高寬，在覆蓋層為45 nm 時，該透明Ag 陰極的內(nèi)側(cè)反射面的反射率達到最小值，透射率達到最大值。峰值波長在小的覆蓋層厚度時沒有大的變化，但當超過45 nm 時，發(fā)生藍移；覆蓋層厚度達到75 nm 時，峰值波長達到最小值；超過75 nm 時，出現(xiàn)反向紅移，見圖3（b）。峰值波長的變化趨勢與覆蓋層厚度之間的關(guān)系比較復雜，并不一定在厚度為45 nm 時達到極小值。

在圖4 插圖中，陰極Ag 厚度為20 nm，當覆蓋層厚度為45 nm 時，電流效率有一個最大值7.17 cd/A。當覆蓋層厚度較小時，其有小幅下降；但大于45 nm 時下降比較明顯。器件電特性測試表明，J-V曲線在不同覆蓋層條件下基本不變，如圖4 所示。覆蓋層的引入，調(diào)節(jié)了器件的光特性。表1 中，所制備的3 個系列器件，對應Ag 厚度分別為20 nm、40 nm 和60 nm，電流效率增加率倍數(shù)為1.05、1.96、3.01 倍。盡管器件的絕對電流效率是下降的，但其有無覆蓋層時的電流效率的增加率還是呈上升趨勢。圖5 中，外量子效率EQE的增加，也是在覆蓋層厚度為45 nm 時達到最大值。

表1 有/無最優(yōu)覆蓋層厚度45 nm、不同陰極金屬Ag 厚度條件下的器件電流效率和增加比率（綠光Alq3TEOLED，@180 mA/cm2）Table 1 Current efficiencies and enhancement ratio at various Ag film thickness and 45 nm capping layer（green TEOLED of Alq3，@180 mA/cm2）

4 討論

基于以上實驗結(jié)果討論效率和出光增強的機制。根據(jù)經(jīng)典微腔理論，式（7）中，器件出光強度由兩個因素決定：1）金屬透明電極的透光率T2；2）微腔因子F（λ）。這兩個因素對于出射光的影響相互矛盾。因為基于經(jīng)典物理，增加透射率T2必然導致R2降低，進一步降低F（λ），導致整個增益因子G（λ）不一定增加或者減少，具體來說要看兩者的競爭關(guān)系。

從實驗結(jié)果可以看出，在覆蓋層厚度達到45 nm 之前，器件的電流效率、外量子效率、半高寬都增加，也就是說器件的增益G（λ）增加。具體來說，半高寬是微腔效應強度的一個指標［2］，半高寬越大，微腔因子F（λ）越小，說明陰極反射率R2越小，進一步說明透射率T2越大。但是，T2是否是決定器件整個增益的決定性因素需要進行準確的計算評估。

4.1 覆蓋層Ag 膜陰極的透射率T2

首先仿真計算不同厚度NPB 蒸鍍覆蓋Ag 陰極的膜系透射率大小，如圖6（a）所示。

從圖6 可以看出，由于光程參數(shù)的周期性，假如不考慮介質(zhì)損耗，透射率也呈現(xiàn)周期性。在45 nm 覆蓋層厚度時，透光率達到最大值73%（40%，無覆蓋層）。這個結(jié)論與金屬誘導增強效應的理論結(jié)果一致。根據(jù)前面的實驗研究和仿真計算，器件的最大效率與透明電極的透光率最大值趨勢一致。

4.2 增益因子G（λ）= F（λ）·T2

圖6（b）是根據(jù)式（7）仿真計算得到的器件增益因子G（λ）。可以看到，盡管覆蓋層厚度為45 nm 時，陰極透射率達到最大值，但是整個器件的增益因子G（λ）只有無覆蓋層時的一半（圖中箭頭標示了16 和8）。所以，仿真結(jié)果和實際實驗測試結(jié)果是矛盾的。也就是說，增加覆蓋層后，微腔因子F（λ）隨陰極Ag 內(nèi)側(cè)反射率的下降減少得更快，導致器件整體效率下降。同時可以看到，由于Ag 內(nèi)側(cè)反射率的改變，干涉相長的條件發(fā)生了改變，從而使器件的出光峰值波長也發(fā)生相應的偏移。

事實情況是，對實驗制備的器件測試結(jié)果表明，有覆蓋層的器件的電流效率、量子效率都增強了，如表1和圖4、5 所示。尤其是60 nm 厚Ag 電極覆蓋45 nm NPB 時，電流效率是無覆蓋層時的3 倍。這說明，必然存在其他的因素，導致該增強效果。

以上討論僅僅從經(jīng)典薄膜光學理論進行了仿真，也僅討論了垂直方向的干涉相長效應。事實上，OLED中近場輻射的發(fā)光偶極子，在大角度出射時，與金屬電極相互作用時，將存在表面等離子體激元能量損耗［33］，該效應將大大影響器件的效率。

4.3 表面等離子體激元

根據(jù)經(jīng)典光學理論，對于遠場光來說，從光密媒質(zhì)到光疏媒質(zhì)，當入射光的入射角度大于臨界角時，會發(fā)生全反射，這時候會出現(xiàn)倏逝波；它與金屬表面相互作用時，當滿足波矢（動量）匹配條件時，會出現(xiàn)表面等離子體激元效應。表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）是存在于金屬和介質(zhì)交界面上的一種局限的電磁能量模式［34］，是一種由橫磁波（TM）激發(fā)的混合表面電場、電荷集體振蕩。SPPs 的電磁場形式可以求解介質(zhì)和金屬界面上的麥克斯韋方程組并運用邊界條件來得到。求解得到的色散關(guān)系如圖7所示［33］，這里εm是金屬的介電函數(shù)、εd是介質(zhì)的介電常數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，由于金屬的損耗特性，SPPs 振蕩的幅度在垂直和平行界面方向上都呈現(xiàn)指數(shù)衰減。所以SPPs 是一種波導模式，導致非輻射損耗。

圖7 中，kSPP＞k0，一般來講，由于波矢失配，遠場光不能直接激發(fā)SPPs，但是仍然可以通過一些特殊的方法來增加波矢Δk從而激發(fā)SPPs，如Kretschmann 法、Otto 法等等［34］，其基本原理是利用光子隧道效應。周期結(jié)構(gòu)和表面粗糙度能直接激發(fā)SPPs，其基本原理是衍射效應產(chǎn)生額外附加的波矢。根據(jù)光路可逆原理，SPPs 損耗的能量，也可以通過一定的方法降低波矢-Δk加以恢復［34］。另外一個激發(fā)SPPs 的方法是近場方法，近場效應在OLED 中廣泛存在，該效應是直接影響器件效率的重要因素。

4.4 有機發(fā)光二極管中的SPPs 損耗

OLEDs 中，近場輻射球面波可以展開成一系列平面波的疊加。每個平面波有其自己的面內(nèi)波矢kx，當滿足波矢匹配條件時，其可以在金屬表面處直接耦合成SPP。有研究表明，耦合到SPPs 損耗掉的能量達到輻射總能量的40%［35］，因此探索一種將該部分能量恢復從而增強器件效率的方法是非常有意義的。

一個有關(guān)輻射偶極子經(jīng)典的模型表明［36-39］，SPPs 能量耗散程度也是面內(nèi)波矢kx的函數(shù)，稱為功率耗散譜（Power Dissipation Spectrum，PDS）。從PDS 上可以看到損耗模式的物理本質(zhì)。對損耗模式積分，可以得到損耗的總比例，也可得到耦合出光效率。

功率耗散譜PDS 解決的是特定波長的能量損耗計算問題，將所有的波長的功率損耗畫在一張圖中，并用顏色表示能量損耗程度，稱為功率耗散圖（Power Dissipation Map，PDM）。事實上，PDM 就是包含更多能量損耗信息的色散關(guān)系。

圖8（a）數(shù)值仿真計算了一個通常的底發(fā)射OLED 中某一波長的功率耗散譜。

出光泄露模式（leaky）是指偶極輻射能出光部分，而波導模式（waveguide）和SPPs 是損耗模式。圖8（b）中，從藍色到紅色，表示了不同的能量損耗程度（圖中顏色為對數(shù)坐標）。

在普通底發(fā)射OLED 器件中，SPPs 損耗出現(xiàn)在反射陰極界面上，在頂發(fā)射器件中在兩個金屬界面上都會出現(xiàn)，如何降低SPPs 損耗或者恢復SPPs 損耗的能量是非常有意義的。

當金屬陰極薄膜的厚度降低到SPP 的輻射衰減深度以下時，輻射偶極子能同時激發(fā)上下兩個表面的SPPs，這里將其命名為SPP2（下表面）和SPP1（上表面）。SPP2 和SPP1 會相互作用，從而引起相互耦合，耦合程度取決于覆蓋層的厚度。該結(jié)構(gòu)涉及金屬膜的上下介質(zhì)層，所以稱為DMD 結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)覆蓋層的厚度可使耦合程度達到最大值。圖9（a）給出了SPP1 和SPP2 在覆蓋層厚度條件下不同的耦合程度，圖中是準三維圖。沒有覆蓋層時，SPP1 的幅度比SPP2 低兩個數(shù)量級，圖上幾乎看不出來。覆蓋層厚度超過45 nm后，SPP2 和SPP1 強烈耦合。圖9（b）是9 幅不同的Ag 膜厚度和覆蓋層厚度時，功率耗散圖PDM。可以看到，耦合程度由Ag 膜厚度和覆蓋層厚度決定。圖9（b）中，覆蓋層Ag 厚度20 nm 和45 nm 時，在528 nm、歸一化角頻率為1.89 μm-1處，耦合程度是最高的，見圖中圓圈所示。

圖10 是DMD 結(jié)構(gòu)耦合輸出示意圖。根據(jù)輻射轉(zhuǎn)移的可逆原理，SPP1 能夠在動量匹配的條件下直接恢復出光。嚴格來講，表面等離子體激元從一邊耦合到另一邊是不準確的，事實上應該是，兩邊的表面等離子體激元是相互作用整體耦合。

5 結(jié)論

采用薄膜光學的傳輸矩陣法仿真計算并優(yōu)化了TEOLED 陰極金屬電極參數(shù)?；谖⑶焕碚?，優(yōu)化了器件功能有機層的光程參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，Alq3綠光TEOLED 器件金屬陰極蒸鍍覆蓋介質(zhì)層后，器件效率得到了增強，覆蓋層厚度為45 nm 時，效率達到最高。結(jié)合近場光學輻射理論和偶極子與金屬表面相互作用激發(fā)表面等離子體激元理論，基于功率耗散譜和功率耗散圖，通過數(shù)值仿真計算，可以得出初步結(jié)論，器件效率的增強是陰極透光率的增加、微腔增益的變化和陰極上下表面等離子體激元的耦合出光三個因子的綜合結(jié)果，其中第三個是主導因素。在實際OLED 顯示產(chǎn)業(yè)運用中，用覆蓋層增強TEOLED 效率，方法簡單，制備成本低，該方法在商業(yè)化應用中是非常有意義的。