基于电磁超表面结构的高性能微腔型顶发射有机电致发光器件的研究

Organic light emitting devices (OLEDs) have attracted much attention due to their merits of low cost, light weight, and flexibility. Top-emitting OLEDs (TOLEDs) have become key interests due to their merits of high aperture ratio and high resolution. The intrinsic microcavity resonance can help increase the external quantum efficiency, but at the same time brings disadvantages of angular dispersions and narrowed resonant bandwidth, which limits the application of TOLEDs. To overcome these obstacles, some approaches have been proposed such as introducing capping layers or using ultra-thin electrodes. However, all these approaches were based on weakening the microcavity resonance, and its merit of enhancing the external quantum efficiency was sacrificed. This project focuses on solving the problem by introducing a metasurface structure on top of the electrodes. The angular dispersion and bandwidth characteristics of the microcavity resonance can be tuned by manipulating the reflection phase of light on the metasurface. We aim to eliminate the angular dispersions in monochromatic and white TOLEDs and extend the spectral bandwidth in white TOLEDs while keep the intensity of the microcavity resonance for high device efficiency, which will contribute to large-scale manufacturing applications of OLEDs.

有机电致发光器件（Organic Light Emitting Devices, OLEDs）因其成本低、质量轻、可实现柔性等优点获得了广泛研究。顶发射OLEDs（Top-emitting OLEDs, TOLEDs）具有高色纯度及大开口率的优点，成为了OLEDs研究的主流。微腔型TOLEDs内在的微腔共振模式有益于提高器件的外量子效率，但同时带来光谱角度依赖和带宽窄化问题，是TOLEDs应用于显示和照明的主要障碍。传统的解决方案例如引入盖层和超薄电极等都是基于削弱微腔效应，牺牲了微腔效应增强外量子效率的作用。本项目聚焦这一问题，提出在器件电极上集成电磁超表面结构，利用其对光反射相位的调谐性来调控微腔共振模式的角度色散和带宽特性，在保留微腔模式强度即保证器件高效率的前提下，消除单色和白光TOLEDs的光谱角度依赖，并拓宽白光TOLEDs的共振光谱，为推动TOLEDs的实际应用做出有益探索。

有机电致发光器件（Organic Light Emitting Device, OLED）具有主动发光、成本低、质量轻、材料选择范围广和可实现柔性等优点，近年来获得了广泛的关注与研究,在固态照明和平板显示领域取得了巨大的应用。本项目面向具有高色纯度和大开口率优点的顶发射OLED器件，其内在的微腔效应限制了器件的光取出效率。在过往的研究中，解决这一问题的核心思想都是削弱微腔共振模式，本项目提出的方案是采用电磁超表面结构作为解决手段，设计微腔型顶发射OLED结构，即把电磁超表面结构引入到电极结构中，在保证器件效率的同时，改善器件的角度光谱依赖特性和电致发光谱带宽,为推动其应用的大规模产业化做出有益的探索。取得的重要研究成果包括：（1）超表面电极在可拉伸柔性OLED中的应用：利用超表面电极结构兼具光学功能的电学功能的特性，制备了可拉伸OLED器件，包括循环稳定性优异的一维可拉伸OLED器件和高效率的二维可拉伸OLED器件。针对柔性OLED领域的发展，撰写了综述论文。（2）超薄金属电极提高OLED的光取出效率：制备了条形和网格形超薄金属电极，利用其在具有良好光透过率的情况下也具有良好的电学性能的特性，提高了OLED的光取出效率。在器件中引入褶皱结构，发光效率最大提高了56%，证明了超表面金属电极在提高OLED性能方面的重要作用。针对超薄电极OLED领域的发展，撰写了综述论文。（3）新型电极提高有机光电器件的性能：研究了石墨烯、碳管、纳米线等新型电极对于提高有机光电器件性能的作用。提出了新型简单的石墨烯图案转移机制，用于制备高性能的OLED器件。（4）微腔物理机制的深层次探索：对微腔模式的物理机制，从非厄米光子学的角度展开研究，在奇异点的基础研究和应用研究方面均取得了一些项目预期外的研究成果。以上取得的研究成果对于利用电磁超表面结构提高OLED器件效率的产业化应用有着一定的意义。在微腔模式机制探索上取得的研究成果，对于非厄米光子系统的物理认识和应用有重要的意义。