摘 要

有机发光二极管因具有低能耗、快响应和可弯曲等特点越来越受到科学界和企业的重视。但限制OLED推广的主要原因是寿命不长，制造成本高和外量子效率低。利用磷光掺杂技术，器件的内量子效率已经能达到100%，现在限制外量子效率的主要因素是由于OLED的复杂结构而引起的低出光率。在ITO与玻璃基板之间插入光子晶体可有效地提高OLED的出光效率。本文利用FDTD 算法计算OLED的出光模式分布，研究插入光子晶体层对OLED出光效率的影响，并求解出光子晶体的最优结构。计算结果表明插入光子晶体层后能有效地提取出波导模式，提高光耦合效率。当选取光子晶体的深度、周期和占空比分别为300nm、700nm和0.55时，OLED的平均出光效率可达到32%，是传统OLED器件的1.5倍。

关键词：OLED FDTD 出光效率 光子晶体

Theoretical Simulation of Photonic Crystals in Improving Extracting Efficiency of OLED

ABSTRACT

Nowadays, more and more scientists and commercial corporations pay their attentions to organic lighting-emitting diodes due to its low energy consumption, fast response time and flexible features. However, the main reason for restricting OLED promotion is short longevity, high manufacturing cost and low external quantum efficiency. With the advent of phosphorescent doping technique, the internal efficiency can almost reach 100%. the main factor limiting the external efficiency is the low extracting efficiency of OLED due to its complex optical structure. The insertion of photonic crystal between ITO layer and glass is considered an effective method in improving the extracting efficiency of OLED. In this paper, FDTD algorithm is used to calculate the mode distributions of OLED, the impact of photonic crystal parameters on the efficiency of OLED is studied, and the optimal photonic crystal structure is obtained. The results show that the photonic crystal can effectively extract the waveguide mode and improve the light efficiency. When the depth, period and duty ratio of photonic crystals are 300nm.700nm and 0.55 respectively, the average extracting efficiency of OLED can reach 32%, which is 1.5 times of traditional OLED devices.

Keywords: OLED; FDTD; Extracting; Efficiency; Photonic Crystals

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 有机发光二极管的简介 2

1.3 影响OLED效率的参数 3

1.4 提高器件外量子效率的措施 4

1.4.1 增进载流子平衡 4

1.4.2 提高出光率 5

第二章 理论基础 11

2.1 FDTD算法 11

2.1.1 FDTD算法简介 11

2.1.2 差分形式 12

2.1.3 解的稳定性 15

2.1.4 边界条件 16

第三章 模拟实验部分 17

3.1 模拟步骤 17

3.2 几何模型 17

3.3 仿真区域与检测器 18

3.4 网格划分 19

3.5 收敛性检测 19

3.6 扫描计算 20

第四章 模拟结果与讨论 22

4.1 光子晶体与传统OLED器件的比较 22

4.2 光子晶体的结构对器件出光效率的影响 23

4.2.1 光子晶体的深度对出光效率的影响 24

4.2.2 光子晶体的周期对出光效率的影响 25

4.2.3 光子晶体的占空比对出光效率的影响 26

第五章 结论与展望 28

参考文献 29

致谢 31

绪论

引言

有机分子的电致发光效应早在20世纪中叶就广为人知，但直到1987，有机发光二极管才显示出巨大的应用潜力^[1]。当Tang和van Slykle制造出第一个高效率器件后，有机发光二极管才从科学研究领域转变为能发出美丽颜色和宽视角发光的理想器件。而且，随着OLED材料和制造技术不断发展，利用OLED用作家用照明和大面积显示器件都将变得可能。一旦OLED的寿命和成本等难题被克服，这一新兴的发光器件不但会提供更加高的能量利用率，而且随着柔性器件的出现，会给室内装修和屏幕显示技术带来革命性的变化。在OLED相对较短的历史中，材料和相关的技术发展迅速。仅仅20多年，OLED内量子效率就提高了20倍，已接近内量子效率的理论值^[2]。

虽然OLED器件在当下表现出巨大的商业潜力，但是与已经成熟的LED和LCD器件而言，还缺乏竞争力。限制OLED广泛应用的原因之一是器件的外量子效率较低。利用磷光掺杂技术使OLED的内量子效率基本可达到100%，限制OLED外量子效率的主要因素在于器件较低的光提取效率^[3]。传统OLED器件的出光效率大约在20%左右，其余80%的光都被限制在器件中或者是被金属阴极消耗掉^[4]。当前，研究人员提出多种改性手段来提高出光效率，如微透镜阵列^[15-18]，在器件内部加入光子晶体^[5]，改变发光层分子的取向^[6]等等。

有机发光二极管的简介

有机发光二极管(Organic light emitting diode)，简称为OLED，是一种利用电致发光原理发光的多层有机薄膜结构，具有功率低、响应时间短、视角广等优点。在最近几年，越来越广泛地运用在平面显示器和发光器件上。与LED不同，OLED是内部发光，不需要背景光，使得OLED的厚度比LCD薄。除此之外，由于OLED的显示效果和柔软性比LCD和LED好，使得OLED比当下其他器件更具有发展的潜力。

OLED 器件是各种不同有机半导体材料薄膜层的堆叠结构。原始的OLED结构只有三层，如图 1‑1左边所示。但为了提高发光效率和满足实际需求，我们常用采用一些更复杂的结构，如图 1‑1 右侧结构示。

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