热点应用丨OLED的光致发光和电致发光共聚焦成像

要点

光致发光和电致发光是有机发光二极管（OLED）视觉显示发展的重要技术。

与共聚焦显微镜相结合，使用RMS1000共聚焦显微拉曼光谱仪对OLED器件的光电特性进行成像研究。

光谱和时间分辨成像获得了比宏观测试更详细的器件组成和质量信息。

介绍

近年来，有机发光二极管（OLED）已成为高端智能手机和电视全彩显示面板的领先技术之一¹。使用量的快速增长是因为OLED提供了比液晶显示器（LCD）更卓越的性能。例如，它们更薄、更轻、更灵活、功耗更低、更明亮²。

在典型的OLED器件中，电子和空穴被注入到传输层中，然后在中心掺杂发光层中复合。这种复合产生的能量通过共振转移到掺杂分子中，从而使其发光。OLED发光的颜色取决于发光层中所掺杂分子的化学结构。当新的有机电致发光器件开发出来时，可以利用光致发光（PL）和电致发光（EL）光谱来表征单个元件和整个器件的光电特性。

在本文中，RMS1000共聚焦显微拉曼光谱仪用于表征四种成像模式下OLED器件的光电特性：PL、EL、时间分辨PL（TRPL）和时间分辨EL（TREL）。使用共聚焦显微拉曼光谱仪来表征OLED的光谱和时间分辨特性获得了比宏观测试更详细的信息。

材料和方法

测试样品为磷光OLED器件，由圣安德鲁斯大学有机半导体光电研究组提供。将样品放置在冷热台（LINKAM）上，通过两个钨探针连接到器件电极上实现成像。使用RMS1000共聚焦显微拉曼光谱仪进行PL、EL、时间分辨PL（TRPL）和时间分辨EL（TREL）成像，如图1。

图1 PL、TRPL、EL和TREL成像的实验装置。

将装载样品的冷热台放置在显微镜样品台上，如图2所示。对于PL测试，使用532 nm CW激光器和背照式CCD探测器；对于TRPL测试，使用外部耦合的EPL-405皮秒脉冲激光器、MCS模式和快速响应的PMT。

对于EL测试，使用Keithley 2450 SMU向OLED器件加电压，并用CCD探测器检测；对于TREL测试，使用Tektronix 31102 AFG向OLED加一系列短脉冲电压，使用MCS模式测试每个脉冲下的衰减。

图2 (a)安装在RMS1000上的冷热台；(b) OLED器件电致发光宽场成像。

测试结果与讨论

大面积光致发光和电致发光光谱成像

OLED首次采用PL和EL光谱相结合的方法进行研究。当使用共聚焦显微拉曼光谱仪成像时，可以表征材料在整个器件中的分布以及在发光强度和颜色均匀性方面的整体质量。图3中的PL成像和相应的光谱提供了器件上4个区域发光层分布的信息，还显示了电极的位置。

图3 (a)OLED器件的PL光谱强度成像；(b)a中标记的点1和点2的PL光谱。

白色和灰色代表PL强度，显示了有机发光层的位置。灰色区域为发光层被顶部电极覆盖的位置。在顶部电极穿过发光层的地方，PL强度降低为未覆盖区域强度的一半以下。这是由于顶部电极材料削弱了激光强度和光致发光强度。

对于EL成像，钨探针连接到与区域2相交的电极上。图4中得到的EL图像和相应的光谱表明了EL发光仅发生在区域2中的发光层与电极重叠的区域。在PL成像中，空间分辨率主要取决于样品上激光光斑的大小。而在EL成像中，由于没有激光，因此是通过改变共焦针孔直径来改变空间分辨率（将针孔直径减小到25 μm）。

图4 (a)OLED器件的EL光谱强度成像；(b)a中标记的点1和点2的EL光谱。

EL强度在整个有源像素上不均匀，这对器件的质量有影响。在区域外边缘有两个（白色）垂直条带，强度比其余部分强。此外，存在许多EL强度降低的非发光区域。这表明器件有缺陷，理想情况下，OLED将在每个像素上呈现出密集和均匀的发光。

高分辨率光致发光和电致发光光谱成像

为了进一步研究，使用PL和EL对EL有源像素上的较小区域（图5a和图5b）进行高分辨成像。图5b网格内的上部区域是发光层与电极重叠的地方，下部区域是单独的发光层。

图5c为 PL强度成像，再次表明被电极覆盖的发光层PL强度小于未覆盖的发光层。PL峰值波长图像（图5d）表明，有电极覆盖的发光层与未覆盖的发光层（611 nm）相比，PL发射峰发生红移（620 nm）。峰值波长的变化表明在不同的区域中能级不同。

图5 (a) OLED器件电致发光宽场成像；(b)a网格内的高分辨率宽场成像；(c)PL强度成像；(d)相同区域的PL峰值波长成像；(e)EL强度成像；(f)相同区域的EL峰值波长成像。

EL成像显示，与其余部分相比发射强度较弱的缺陷（图5e）波长发生明显红移（图5f）。这是由于缺陷处的EL能带的信号强度降低以及在662 nm处EL能带信号强度同时增加引起的。另外，在EL有源区域的最底部的区域中，发生蓝移，这与在PL图像上看到的波长变化一致。

高分辨率时间分辨光致发光和电致发光成像

为获得额外信息，在同一区域进行TRPL和TREL成像，如图6所示。分别用激光脉冲和电脉冲，在MCS模式下测试614 nm处OLED的PL和EL衰减。利用单指数模型拟合衰减曲线。

在图6a的TRPL成像中，EL活性区域（上部区域）中的PL寿命比EL非活性区域（下部区域）中的PL寿命短大约200 ns。如图6c所示，分别为800 ns和600 ns。这里观察到与图4中PL强度和波长图像的类似梯度，沿图向下方向的发射强度增强，并且发生了蓝移。因此，根据TRPL数据可得：当光激发时，通过掺杂带可获得不同的能级。在图6b中的TREL成像中，整个区域的寿命相似，大约为470 ns。发现EL寿命显著短于相同区域的PL寿命。

图6 (a)OLED的时间分辨PL成像；(b)OLED的时间分辨EL成像；(c)a中选定区域的PL衰减曲线；(d)b中图像的EL衰减曲线。

结论

RMS1000共聚焦显微拉曼光谱仪用于测试OLED器件的PL、EL、TRPL和TREL成像。这些不同的成像模式提供了关于发光层和电极在整个器件中位置的详细信息，在工作条件下器件的发光强度和颜色均匀性，以及关于PL和EL过程中带隙能量的相对信息。

参考文献

1. A. Salehi et al., Recent Advances in OLED Optical Design, Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808803, DOI: 10.1002/adfm.201808803.

2. J. M. Ha et al., Recent Advances in Organic Luminescent Materials with Narrowband Emission, NPG Asia Mater., 2021, 13, 1–36, DOI: 10.1038/s41427-021-00318-8.

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