有机发光二极管能效的提高

有机发光二极管(Organic Light Emitting Diodes – OLED)这项正在发展的技术有着非常广泛的应用前景,尤其是对于柔性显示装置。目前有大量的研究集中在对其各项性能的提高方面。

有OLED的弱点之一就是能效问题,供给它发光的一大部分能量都以表面等离子体模式(surface plasmon mode)的形式被消耗掉,大大降低了其发光效率。表面等离子体模式是电磁波中波导模式(waveguide modes)的一种。所谓波导模式就是利用环境来使电磁波向特定的方向传播。虽然在OLED中可以观察到很多种不同的波导模式,但是表面等离子体模式是限制发光效率的主要因素,尤其是对于使用小分子结构有机物的OLED。表面等离子体模式在金属电极和有机层的界面上传播,将能量以热的形式释放到金属电极中。如果我们能够找到方法阻止表面等离子体模式的传播,并将这部分能量转换为有用的光,这对OLED的发展有至关重要的作用。

日本东京技术学院的竹添石川及其带领的研究人员们正是在这方面取得了显著的进展。他们之前曾发现通过制备有表面起伏的OLED可以生成一个衍射网格(diffraction grid),从而将波导模式转换成光,以提高器件的发光效率。但他们未能确定是那种波导模式得到了转换,所以无法确定是否的确解决了表面等离子体模式对发光效率的影响。

在新发表在Advanced Materials的论文中,竹添石川的研究组通过制备特殊的只激发表面等离子体模式的OLED,解决了之前的疑惑。他们制备并对比了两种OLED,一种是在具有不同的纳米尺度起伏的衬底上沉积OLED层。起伏的尺寸变化非常中用,因为它决定了表面等离子体模式将被转换成波长在比较大范围内分布的光。他们之前的工作由于使用了周期分布的起伏,所以转化的光的波长只能是特定的值。并且,由于起伏在OLED表面以任意的取向分布,所有经过金属/有机物界面的向任意方向传播的表面等离子体模式,都会被转化成光。研究人员同时也发现了任意取向分布的起伏将一部分表面等离子体模式转换成了其它波导模式,该过程也有利于发光效率的提高。这些因素叠加使得这种OLED的发光效率比平整表面的提高了一倍,并且在所有的方向上都获得理想的发光光谱。看来对OLED来说,小小的表面起伏的作用真是不小。

W. H. Koo et al., Adv. Mater. 2011 ; DOI: 10.1002/adma.201003357