一种有机单晶偏振光发射器件及其制备方法与流程

1.本发明涉及偏振光发射器件技术领域，尤其涉及一种有机单晶偏振光发射器件及其制备方法。


背景技术：

2.偏振光作为一种具有更高维度信息传输能力的电磁波，在光通讯、裸眼3d显示以及生物材料检测和探测方面具有广阔的应用前景。目前主流的偏振光产生方式是在人造自然光源的基础上加入偏光片来实现偏振光的发射，这种通过外耦合偏光片产生偏振光的方式不利于未来器件的小型化发展，也不利于未来多功能器件的集成化发展。
3.目前，少数研究报道了具有本征偏振发射能力的偏振光发射器件，这类器件主要采用具有单轴取向的聚合物薄膜作为偏振光发射层，但是单轴取向聚合物薄膜生长通常需要具有取向的基底来诱导或外加摩擦来实现聚合物分子的单一轴取向，在此过程中会破坏发光层，从而使得器件性能降低，对实际应用产生不利影响。
4.除此之外，具有各向异性分子堆积的有机单晶通常也具有偏振光的本征发射能力，但是该类器件的偏振光发射能力很大程度取决于晶体内部分子堆积的各向异性程度，基于该类单晶的偏振光发射器件存在偏振度较低的问题，这在一定程度上阻碍了该类偏振光发射器件的实际应用。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于在不破坏发光层的前提下提高有机单晶发光器件的偏振光发射能力。
6.本发明的一个进一步的目的在于进一步提高偏振发射器件的二相色比值。
7.特别地，本发明还提供了一种有机单晶偏振光发射器件，包括分布式布拉格反射结构以及形成在所述分布式布拉格反射结构的表面的有机单晶发光器件；
8.所述有机单晶发光器件包括有机单晶发光层，所述有机单晶发光层的有机单晶具有各向异性的分子堆积结构，所述分布式布拉格反射结构是由折射率不同的两种薄膜材料交替堆叠而成；
9.所述分布式布拉格反射结构的所述两种薄膜材料、薄膜厚度以及交替周期数均与所述有机单晶发光层的有机单晶的本征发射光光谱匹配。
10.可选地，所述两种薄膜材料的选择需要满足以下公式：
11.[0012][0013]
其中，r表示所述分布式布拉格反射结构的预设折射率，所述预设折射率r根据所述有机单晶的本征发射光光谱确定出，nh表示两种薄膜材料中较高折射率的薄膜材料的折射率，n
l
表示两种薄膜材料中较低折射率的薄膜材料的折射率，m表示两种薄膜材料的交替周期，ng表示制备所述分布式布拉格反射结构时所用基底的折射率，n
eff
表示有效折射率，δn表示折射率差值，其中，所述有效折射率n
eff
的计算公式为：
[0014][0015]
所述折射率差值δn的计算公式为：δn＝n
h-n
l
；
[0016]
δλ
stopband
表示所述分布式布拉格反射结构的有效反射波长范围，λ0表示所述分布式布拉格反射结构的中心反射波长。
[0017]
可选地，所述分布式布拉格反射结构中单层薄膜的厚度为所述有机单晶的本征发射光的波长的1/3-1/5。
[0018]
可选地，所述两种薄膜材料中较高折射率的薄膜材料的折射率nh为范围在1.8-4.5中任一值；
[0019]
所述两种薄膜材料中较低折射率的薄膜材料的折射率n
l
为范围在1.2-2.0中任一值；
[0020]
所述两种薄膜材料的交替周期m为2-10中任一值。
[0021]
可选地，所述有机单晶发光层选择为荧光量子产率为范围在30-100％中任一值，且载流子迁移率为范围在0.5-100cm2/v
·
s中任一值的有机单晶。
[0022]
可选地，所述有机单晶发光器件由下至上依次形成有透明导电电极、空穴注入层、所述有机单晶发光层、电子传输层、电子注入层以及不透明电极层，所述透明导电电极层形成在所述分布式布拉格反射结构的表面。
[0023]
可选地，所述有机单晶发光器件还包括聚合物绝缘层，所述有机单晶发光层、所述电子传输层以及所述电子注入层均包覆于所述聚合物绝缘层，且所述电子注入层的邻近所述不透明电极层的表面暴露出所述聚合物绝缘层。
[0024]
特别地，本发明还提供了一种如前述的有机单晶偏振光发射器件的制备方法，包括如下步骤：
[0025]
由折射率不同的两种薄膜材料交替堆叠形成分布式布拉格反射结构；
[0026]
在所述分布式布拉格反射结构的表面形成有机单晶发光器件。
[0027]
可选地，所述在所述分布式布拉格反射结构的表面形成有机单晶发光器件，包括如下步骤：
[0028]
在所述分布式布拉格反射结构的表面沉积透明导电电极；
[0029]
在所述透明导电电极表面形成空穴注入层；
[0030]
将具有各向异性的分子堆积结构的有机单晶转移至所述空穴注入层表面，以在所述空穴注入层表面形成有机单晶发光层；
[0031]
在所述有机单晶发光层的表面依次形成电子传输层、电子注入层以及不透明电极
层，从而在所述分布式布拉格反射结构的表面形成有机单晶发光器件。
[0032]
可选地，所述将具有各向异性的分子堆积结构的有机单晶转移至所述空穴注入层表面，以在所述空穴注入层表面形成有机单晶发光层之后，还包括如下步骤：
[0033]
将聚合物溶液施加于所述有机单晶发光层四周，以形成包覆在所述有机单晶发光层的四周，且露出所述有机单晶发光层的表面的聚合物绝缘层；
[0034]
所述在所述有机单晶发光层的表面依次形成电子传输层、电子注入层以及不透明电极层，从而在所述分布式布拉格反射结构的表面形成有机单晶发光器件的步骤中，使得所述聚合物绝缘层包覆在所述电子传输层和所述电子注入层的四周，且暴露出所述电子注入层的表面。
[0035]
根据本发明的方案，通过将有机单晶发光器件与分布式布拉格反射结构结合，从而使得在不破坏发光层的前提下提高有机单机发光器件的偏振光发射能力，且有机单晶偏振光发射器件的二相色比值得到上百倍的提升，然而，有机单晶发光器件与分布式布拉格反射结构并不是任意结合，要有条件限制才能达到上述二相色比值得到上百倍的提升的效果，即要求有机单晶发光层的有机单晶具有各向异性的分子堆积结构，并且，分布式布拉格反射结构的两种薄膜材料、薄膜厚度以及交替周期数均与有机单晶发光层的有机单晶的本征发射光光谱匹配才行。由此，可以确定的是，该分布式布拉格反射结构本身并不具有偏振效果，该分布式布拉格反射结构的作用是放大有机单晶发光器件的偏振效果，从而获得了意想不到的技术效果。该方案为后续偏振光发射器件在偏振光通讯以及裸眼3d显示等领域的应用提供了一条重要的技术路线，有利于上述领域的进一步快速发展。
[0036]
进一步地，通过按照本发明方案中的公式(一)和公式(二)来进行有机单晶发光器件与分布式布拉格反射结构的匹配，从而可以进一步提高有机单晶偏振光发射器件的二相色比值。进一步地，再使得分布式布拉格反射结构中单层薄膜的厚度为所述有机单晶的本征发射光的波长的1/3-1/5，从而可以使得有机单晶偏振光发射器件的二相色比值高达3000以上。
[0037]
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0038]
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0039]
图1示出了根据本发明的一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的示意性结构图；
[0040]
图2示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的示意性结构图；
[0041]
图3示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的截面扫描电子显微镜图；
[0042]
图4示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的制备方法的示意性流程图；
[0043]
图5示出了根据本发明一个实施例的在分布式布拉格反射结构的表面形成有机单
晶发光器件的制备方法的示意性流程图；
[0044]
图6示出了示出了根据本发明一个实施例的不同厚度空穴注入层对有机单晶偏振光发射器件性能的影响的示意性曲线图；
[0045]
图7示出了现有技术中的有机单晶偏振光发射器件本征偏振发射光谱图；
[0046]
图8示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件本征偏振发射光谱图；
[0047]
图中：1-分布式布拉格反射结构，2-有机单晶发光器件，21-有机单晶发光层，22-透明导电电极，23-空穴注入层，24-电子传输层，25-电子注入层，26-不透明电极层，27-聚合物绝缘层。
具体实施方式
[0048]
图1示出了根据本发明的一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的示意性结构图。如图1所示，该有机单晶偏振光发射器件包括分布式布拉格反射结构1以及形成在分布式布拉格反射结构1的表面的有机单晶发光器件2。该有机单晶发光层21的有机单晶具有各向异性的分子堆积结构。该分布式布拉格反射结构1是由折射率不同的两种薄膜材料交替堆叠而成。该分布式布拉格反射结构1的两种薄膜材料、薄膜厚度以及交替周期数均与有机单晶发光层21的有机单晶的本征发射光光谱匹配。
[0049]
根据本发明的方案，通过将有机单晶发光器件2与分布式布拉格反射结构1结合，从而使得有机单晶偏振光发射器件的二相色比值得到上百倍的提升，然而，有机单晶发光器件2与分布式布拉格反射结构1并不是任意结合，要有条件限制才能达到上述二相色比值得到上百倍的提升的效果，即要求有机单晶发光层21的有机单晶具有各向异性的分子堆积结构，并且，分布式布拉格反射结构1的两种薄膜材料、薄膜厚度以及交替周期数均与有机单晶发光层21的有机单晶的本征发射光光谱匹配才行。由此，可以确定的是，该分布式布拉格反射结构1本身并不具有偏振效果，该分布式布拉格反射结构1的作用是放大有机单晶发光器件2的偏振效果，从而获得了意想不到的技术效果。该方案为后续偏振光发射器件在偏振光通讯以及裸眼3d显示等领域的应用提供了一条重要的技术路线，有利于上述领域的进一步快速发展。
[0050]
在一个实施例中，分布式布拉格反射结构1是利用磁控溅射方式制备获得。该两种薄膜材料的选择需要满足以下公式：
[0051][0052][0053]
其中，r表示分布式布拉格反射结构1的预设折射率，预设折射率r根据有机单晶的本征发射光光谱确定出，nh表示两种薄膜材料中较高折射率的薄膜材料的折射率，n
l
表示两种薄膜材料中较低折射率的薄膜材料的折射率，m表示两种薄膜材料的交替周期，ng表示制
备分布式布拉格反射结构1时所用基底的折射率，n
eff
表示有效折射率，δn表示折射率差值，其中，有效折射率n
eff
的计算公式为：
[0054][0055]
折射率差值δn的计算公式为：δn＝n
h-n
l
，δλ
stopband
表示所述分布式布拉格反射结构1的有效反射波长范围，λ0表示所述分布式布拉格反射结构1的中心反射波长。有效反射波长范围δλ
stopband
也叫截止带边，该范围应该大于有机单晶的本征发射光谱范围。中心反射波长λ0设置为有机单晶本证光谱发射的中心波长。该分布式布拉格反射结构1中单层薄膜的厚度为有机单晶的本征发射光的波长的1/3-1/5，例如可以是1/3、1/4或1/5。
[0056]
根据本发明实施例的方案，通过按照本发明方案中的公式(一)和公式(二)来进行有机单晶发光器件2与分布式布拉格反射结构1的匹配，从而可以进一步提高有机单晶偏振光发射器件的二相色比值。进一步地，再使得分布式布拉格反射结构1中单层薄膜的厚度为所述有机单晶的本征发射光的波长的1/3-1/5，从而可以使得有机单晶偏振光发射器件的二相色比值高达3000以上。
[0057]
上述公式(一)中，需要根据有机单晶的本征发射光光谱确定预设折射率r，经过多次实验验证，该预设折射率r选择为0.8-0.95中任一值就可以实现分布式布拉格反射结构1对有机单晶发光的本征光谱的调控效果，该预设折射率r例如可以为0.8、0.85、0.9或0.95。
[0058]
在制备分布式布拉格反射结构1时，需要用到基底，这属于本领域的公知常识，此处不再赘述。在选择基底时，要求所选择的基底具有比较高的透光率，且表面要平整。该基底例如可以是硬质材料，也可以是柔性材料，硬质材料例如可以是玻璃，柔性材料例如可以是柔性pet。所用基底一旦选择好，则该折射率ng就是固定值。例如，在基底为玻璃时，该折射率ng为1.5。有效折射率n
eff
和折射率差值δn是由两种材料的折射率决定。
[0059]
在一些实施例中，两种薄膜材料中较高折射率的薄膜材料的折射率nh为范围在1.8-4.5中任一值，例如可以为1.8、2.0、2.2、2.5、3.0、3.5、4.0或4.5。两种薄膜材料中较低折射率的薄膜材料的折射率n
l
为范围在1.2-2.0中任一值，例如可以为1.2、1.5、1.8或2.0。两种薄膜材料的交替周期m为2-10中任一值，例如可以为2、3、4、5、6、7、8、9或10。分布式布拉格反射结构1例如可以由sio2/tio2、sio2/ta2o或zns/mgf2周期性交替组成，其中，sio2/tio2表示两种薄膜材料分别为sio2和tio2。sio2/ta2o和zns/mgf2的概念同理。
[0060]
在一些实施例中，有机单晶发光层21选择为荧光量子产率为范围在30-100％中任一值，且载流子迁移率为范围在0.5-100cm2/v
·
s中任一值的有机单晶。例如，有机单晶发光层21的荧光量子产率为30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％，载流子迁移率为0.5cm2/v
·
s、1cm2/v
·
s、2cm2/v
·
s、5cm2/v
·
s、10cm2/v
·
s、15cm2/v
·
s、20cm2/v
·
s、30cm2/v
·
s、40cm2/v
·
s、50cm2/v
·
s、70cm2/v
·
s、80cm2/v
·
s、90cm2/v
·
s或100cm2/v
·
s。该有机单晶例如可以为1，4-双(4-甲基苯乙烯基)苯(bsb-me)、2，6-二苯基蒽(dpa)、2，5-双(4-氰基联苯基-4-基)噻吩(bp1t-cn)、2，7-二苯基芴(ld-1)。
[0061]
图2示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的示意性结构图。如图2所示，该有机单晶发光器件2由下至上依次形成有透明导电电极22、空穴注入层23有机单晶发光层21、电子传输层24、电子注入层25以及不透明电极层26，透明导电电极22层形
成在分布式布拉格反射结构1的表面。该有机单晶发光器件2还包括聚合物绝缘层27，有机单晶发光层21、电子传输层24以及电子注入层25均包覆于聚合物绝缘层27，且电子注入层25的邻近不透明电极层26的表面暴露出聚合物绝缘层27。
[0062]
该有机单晶发光器件2中各个功能层的具体材料可以根据有机单晶的种类来选择。在一个实施例中，该透明导电电极22是采用磁控溅射的方式沉积的。该透明导电电极22选择为透明导电材料制备而成，该透明导电材料例如可以是氧化铟锡(ito)。该透明导电电极22的厚度为100-200nm中任一值，也可以是100nm、120nm、150nm、180nm或200nm。
[0063]
该空穴注入层23选择可以调节透明导电电极22的功函和表面亲疏水特性的材料，例如可以选择为moo3材料。该空穴注入层23的厚度为1-3nm，例如可以为1nm、2nm或3nm。该有机单晶发光层21可以利用现有技术方案制备而成，此处不再赘述。
[0064]
该电子传输层24、电子注入层25以及不透明电极均采用热蒸发蒸镀的方式形成。该电子传输层24例如可以选择为tpbi、zno、pcbm或c60。该电子传输层24的厚度为30-60nm中任一值，例如可以为30nm、40nm、50nm或60nm，蒸镀速率为例如可以为或
[0065]
该电子注入层25例如可以为lif，该电子注入层25厚度为0.5-2nm，例如可以为0.5nm、1nm、1.5nm或2nm，蒸镀速率为例如可以为例如可以为或不透明电极例如可以为al电极，厚度为150-300nm，例如可以为150nm、200nm、250nm或300nm，蒸镀速率为例如可以为或当然，以上仅为举例说明，该有机单晶发光器件2中各个功能层的具体材料可以根据有机单晶的种类来选择，并不限于上述实施例中具体材料以及厚度。
[0066]
图3示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的截面扫描电子显微镜图。由图3可知，本发明制备获得了具有上述结构的有机单晶偏振光发射器件。
[0067]
图4示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件的制备方法的示意性流程图。如图4所示，该制备方法包括：
[0068]
步骤s100，由折射率不同的两种薄膜材料交替堆叠形成分布式布拉格反射结构1；
[0069]
步骤s200，在分布式布拉格反射结构1的表面形成有机单晶发光器件2。
[0070]
图5示出了根据本发明一个实施例的在分布式布拉格反射结构1的表面形成有机单晶发光器件2的制备方法的示意性流程图。如图5所示，该步骤s200包括：
[0071]
步骤s210，在分布式布拉格反射结构1的表面沉积透明导电电极22；
[0072]
步骤s220，在透明导电电极22表面形成空穴注入层23；
[0073]
步骤s230，将具有各向异性的分子堆积结构的有机单晶转移至空穴注入层23表面，以在空穴注入层23表面形成有机单晶发光层21；
[0074]
步骤s240，在有机单晶发光层21的表面依次形成电子传输层24、电子注入层25以及不透明电极层26，从而在分布式布拉格反射结构1的表面形成有机单晶发光器件2。
[0075]
在另一实施例中，该步骤s230之后还包括如下步骤：将聚合物溶液施加于有机单晶发光层21四周，以形成包覆在有机单晶发光层21的四周，且露出有机单晶发光层21的表面的聚合物绝缘层27；在有机单晶发光层21的表面依次形成电子传输层24、电子注入层25以及不透明电极层26，从而在分布式布拉格反射结构1的表面形成有机单晶发光器件2的步
骤中，使得聚合物绝缘层27包覆在电子传输层24和电子注入层25的四周，且暴露出电子注入层25的表面。
[0076]
将聚合物溶液施加于有机单晶发光层21四周，以形成包覆在有机单晶发光层21的四周的步骤中，采用了刮刀涂布技术将聚合物溶液推至有机单晶发光层21四周。
[0077]
图6示出了示出了根据本发明一个实施例的不同厚度空穴注入层23对有机单晶偏振光发射器件性能的影响的示意性曲线图。在相同电流密度下，有机单晶偏振光发射器件亮度越高，说明有机单晶偏振光发射器件的载流子注入效率越高，由图6可知，在加入2nm的moo3作为空穴注入层23后，有效提升了空穴载流子的注入效率，从而使得相同电流密度下，器件亮度更高，但是随着空穴注入层23厚度的增加，载流子注入电阻随之逐渐增加，对空穴载流子注入效率产生了负面影响。
[0078]
图7示出了现有技术中的有机单晶偏振光发射器件本征偏振发射光谱图。由图7可知，现有技术中的有机单晶偏振光发射器件的本征发光峰较宽，在0和90
°
时的二项色比数值为9。
[0079]
图8示出了根据本发明一个实施例的有机单晶偏振光发射器件本征偏振发射光谱图。由图8可知，本发明方案中，在不同偏振角度下的发光光谱，最大二相色比值可达3200。由此可知，本发明方案可以极大提高器件的二相色比值，获得了意想不到的技术效果。
[0080]
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符号本发明常用理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。