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上海尤谱光电科技有限公司

OLED分子配向解决方案

作者:上海尤谱光电科技有限公司 来源:本站 发布日期:2019-1-27 13:05:58 点击次数:747

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# 分子配向

在OLED领域,通过提高器件的外量子产率(EQE),从而得到亮度更高、发光效率更好的产品是最热门的研究课题。因为器件的EQE为发光层内量子效率与输出耦合效率的乘积(EQE=PLQY×ηout)得出,所以为了提高器件的EQE,两种主要的手段就是:(1)提高发光层材料的内量子效率(PLQY);(2)提升输出耦合效率(ηout)。


在内量子效率方面。经过近年的大量研究,热活化延迟发光(TADF)材料已经可以将发光层的内量子效率提高至非常接近100%(详细情况可参考《 OLED/TADF研究之滨松解决方案 》)。


因此提高输出耦合效率就变得非常重要——最主要的手段就是对OLED材料分子配向(Molecular Orientation)的控制。

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图1 OLED产品的影响因素

分子配向(Molecular Orientation),又称分子取向,是由极性分子间的作用力形成的。在有机电致发光器件(OLED)的研究中,分子配向已被忽视了大约20年,其在器件性能上的影响尚未在微观层面上得到充分讨论。 直到最近,OLED中的分子间相互作用和水平分子配向的影响才得到研究和报道(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。


通常而言,当OLED材料分子的水平取向占百分比越高,输出耦合效率越好(如图2);当水平取向占比达到100%时,输出耦合效率达到最高值50%;而当水平取向占比只有50%时,输出耦合效率约为20%;当水平取向占比只有0%时,输出耦合效率为最低值0%。

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图2 分子配向对于出光耦合效率的影响


# 配向因子S的表征以及传统测量方法

表征的分子配向有两个方式:分子偶极矩与Z轴(Z轴为垂直于发光层表面的方向轴)的夹角θ或者配向因子(orientational order parameter,通常用S表示);分子偶极矩与Z轴的夹角θ从0°至90°对应于S值从1至-0.5,两者可以通过公式相互转换(如图3)。由于配向因子S的测量更加容易,因此通常文献中都是用S表征。

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图3 表征分子配向的参数S以及S与θ角的关系

传统测量配向因子S的方法(VASE法,如图4)是用可变角度光谱椭偏仪(variable angle spectroscopic ellipsometry)测量,通过检测样品折射率n和消光系数k,计算得到配向因子(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)。该方法需要借助椭偏仪设备,椭偏仪操作复杂、体积庞大、测量时间长、结果不稳定、样品限制条件多,在得到初始数据以后,还需要做大量计算才能得到最终的配向因子。而正因为这些限制,OLED领域中关于配向因子S以及分子配向的研究在2011年之前都进展缓慢。

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图4 VASE法测量样品的n、k值(D. Yokoyama, et.al, J. Mater. Chem., 21(2011),19187)


# 配向因子S测量之滨松解决方案

滨松长期和九州大学的Adachi教授保持紧密合作关系,从2011年开始Adachi和滨松合作一起研究更加便捷有效的配向因子测量方法.通过不断地建模计算和实验论证,最终建立了测量配向因子S的光子法(T.Komino, et al., Scientific Reports, 7(2017),8405),而滨松也基于此模型研发了 C14234-11型分子配向测量系统

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图5. 滨松C14234-11分子配向测试系统的测量光路图和理论结果。

样品与其石英基底紧贴半圆透镜上;系统通过LED光源激发被测样品,被测样品发出发射光,发射光中的p偏振光由偏光片检出并且被探测器接收。在Adachi的理论模型中,半圆透镜法线与光探测器接收面法线的夹角称为α,p偏振的光强在Z轴的分量(pz)随夹角α的变化而变化。在测量时,α角初始为0°,随着测量开始,半圆透镜和激发光源在每次测量后会逆时针步进一定角度步长,直到所有角度测量完毕,绘制出角度α和pz的关系曲线。在关系曲线中,pz有两个峰值,根据这两个峰值的强度以及对应α角度值,配合样品基底折射率(nsub)、样品发射层厚度(d)和样品发射层折射率(norg)等基础参数,便可以通过算法得到最终的配向因子S值 。


滨松C14234-11分子配向测试系统不仅提供了光子法的成套硬件,而且集成了来自Adachi的完整软件算法。操作中,只需输入三个参数(基底折射率nsub、发射层折射率norg以及发射层厚度d),然后在软件中设置所需测量的α角度范围以及角度的步长,即可实现系统的全自动测量,并得到对应的配向因子S值。


以光子法为核心的滨松C14234-11分子配向测试系统避免了VASE法中椭偏仪的繁琐操作,具有整体光路简单、测量便捷有效,同时C14234-11的测量结果与理论计算值之间可以复测,相互验证,形成实验-理论-实验的闭环 (图7)。

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图6 滨松C14234-11分子配向测试系统的软件界面

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图7 用光子法测量得到的曲线图与S=0.41时的模拟曲线几乎一模一样(L.Zhao,et al, Appl. Phys. Lett. 106(2015),063301)

# 灵活的搭配,完整的产品线

针对OLED电致发光器件的研究,滨松不仅提供C14234-11分子配向测试系统;还提供了测量电致发光器件朗伯分布、IVL参数以及EQE的C9920-11和C9920-12等两套测试系统。


同时针对上游的电致发光材料研究(如OLED,量子点,荧光粉材料等)还能够提供Quantaurus-QY(C9920-02)绝对量子效率测试系统。


除了覆盖了器件与材料研究所需求的完整产品线,上述四套系统还共用同一个核心的探测器部件,大大降低了未来升级系统的成本。

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