近年來，有機發光二極體（OLED）已成為高階智慧手機和電視中全彩顯示面板的領先技術之一。這種使用的快速增長是因為OLED提供了比液晶顯示器（LCD）更優越的全方位效能。 例如，它們更薄、更輕、更靈活、耗電量更少、更亮。
在典型的OLED裝置中，電子和電洞被注入有機電子和電洞傳輸層，然後它們在中央摻雜發射層中重新組合。這種重組產生的能量透過共振傳遞導致它發出光。當開發新的OLED時，可以使用光致發光（PL）和電致發光（EL）光譜來呈現單個元件和完整裝置的光電子特性。
在本應用說明中，RMS1000共軛焦拉曼顯微鏡用於定性和空間解析分析OLED裝置的光電子特性，以四種成像模式：PL、EL、時間解析度PL（TRPL）和時間解析度EL（TREL）來呈現。 使用共軛焦顯微鏡來顯示OLED的光譜和時間解析度特性，比單點測量提供了更多的細節。
材料和方法
聖安德魯斯大學的有機半導體光電學小組製備了一種磷光OLED裝置。 樣品被放置在電性探測樣品載臺（LINKAM HFS350EV-PB4）上，兩個鎢探頭連線到裝置的電極上，以照亮單個OLED像素。 使用RMS1000共聚焦拉曼顯微鏡進行光譜和時間解析度的PL和EL成像，如圖1。
圖1。 PL、TRPL、EL和TREL成像的實驗設定。
包含樣品的電性探測樣品載臺被放置在顯微鏡下，圖2。 對於光譜PL測量，該系統配備了532奈米CW雷射和背光CCD相機。 對於TRPL測量，該系統配備了外部的EPL-405皮秒脈衝二極體雷射、基於單光子計數多通道縮放（MCS）的磷光壽命電子擷取裝置和高速PMT壽命偵側器。
對於電致發光EL測量，Keithley 2450電源產生器（SMU）用於對OLED裝置和CCD檢測到的電致發光應用提供激發源。 最後，對於TREL測量，Tektronix 31102可變函數發生器（AFG）被用於將一列短電壓脈衝應用於OLED。 使用MCS測量了每次脈衝後產生的衰退。
圖2。（a）安裝在RMS1000上的電性探測樣品載臺。（b）透過顯微鏡對電致發光OLED畫素的廣角檢視。
結果和討論
大面積光致發光和電致發光光譜成像
首次使用光譜PL和EL的組合對OLED進行了研究。 當與使用共軛焦顯微鏡的成像相結合時，這些技術可以呈現整個裝置光學相關材料的分佈資訊，以及裝置在發射強度和顏色均勻性。 圖3中的PL影像和相應的光譜提供了有關發射層在整個裝置上4個像素區域的分佈資訊，還顯示電極位置以供參考。
圖3.（a）OLED裝置的光譜PL影像。（b）來自（a）影象中標記的1點和2點的PL光譜。
白色（最高）和灰色（降低）PL強度區域，集體用綠色包圍，顯示了四個像素中有機發射層的位置。 灰色區域被確定為發射層被頂部電極覆蓋的位置。 這是因為，當頂部電極穿過發射層時，PL發射的強度會減少到未覆蓋區域的一半以下。 這是因為頂部電極材料會減弱激發雷射強度和像素發出的PL強度。
對於EL成像，探頭連線到像素2上相交的電極。 圖4中生成的EL影像和相應的光譜反映了這一點，EL發射僅發生在像素2中的發射層與頂部和底部電極重疊的區域。 使用PL成像，空間解析度主要由樣品上的雷射斑點大小決定。 在EL影象中，沒有激發雷射來提供空間解析度。 相反，對於EL來說，共軛焦針孔直徑透過將針孔電洞直徑減少到25微米可用設定來提供空間解析度。
圖4。（a）OLED裝置的光譜EL影象。（b）影象中標記的1點和2點的EL光譜（a）。
整個激發的像素EL強度不均勻，這顯示裝置的品質有疑慮有。 發光像素的外緣（白色）有兩個垂直條，比像素的其餘部分產生更多的EL。 此外，像素中有許多非發射區域，其中EL強度會降低。 這顯示出像素的缺陷，理想情況下，OLED應該在每個像素上表現出強烈和均勻的發光。
高解析度光致發光和電致發光光譜成像
為了進一步研究上一節中PL和EL地圖中看到的分布差異，使用PL和EL對EL影像中發光像素素圖5a和b上的較小區域進行了成像。 重疊上半部區域是發射層與電極重疊的地方，而下區域是單獨的發射層。 PL強度影像，圖5c，再次顯示，因為電極覆蓋的發射層的強度小於未覆蓋的發射層，說明頂部電極衰弱了激發的雷射和發出的PL光。 PL峰值波長影象，圖5d，在EL影像中，顯示有電極覆蓋的發射層內，與電極未覆蓋的發射層區域（611 nm）相比，PL放光呈現是紅位移（620奈米）。 PL波長的這種變化，代表不同區域具有不同能級。
圖5。（a）全像素和（b）電致發光OLED像素的高解析度全域影像。（c）PL強度和（d）OLED像素EL邊界的波峰波長影像。（e）EL強度和（f）同一區域的峰值波長影像。
EL成像顯示，與畫素的其餘部分相比，像素中發射率較低的缺陷（圖5e）PL波長具有較大的紅位移，圖5f。這是由於像素其餘部分看到的EL波段強度的下降，以及在662奈米處同時增加的低能量EL波段。 此外，在EL活性區域最底部的區域發生藍位移，這與PL影像中看到的波長變化一致。 所有這些來自高解析度光譜成像的觀測結果顯示，與對完整OLED裝置進行逐點PL和EL測量時檢測到的複雜性要高得多。
高解析度時間解析光致發光和電致發光成像
為了獲得更多資訊，在同一區域進行了TRPL和TREL成像，圖6。 在這裡，樣品分別受到PL和EL的脈衝雷射和電脈衝，在MCS模式下記錄了OLED在614奈米的PL和EL生命週期。 結果呈現單一指數衰變模型進行擬合。
在圖6a中的TRPL影像中，EL激發區域（上區域）內的PL生命週期比EL非激發區域（下區域）的PL壽命短約200奈秒。 記錄的最長和最短生命週期分別為800 ns和600 ns，如圖6b所示。 這裡觀察到與圖5中的PL強度和波長影象類似的梯度，在地圖上，發射強度降低，並發生了藍位移。 而TRPL數據也佐證這樣的結論，即當激發光激發時，整個OLED像素呈現出不同的能量分布。 在圖6b中的TREL影象中，整個區域的壽命相似，大約470 ns。 發現EL壽命明顯短於同一區域內記錄的PL壽命。
圖6。（a）OLED畫素的時間解析度PL影象。（b）OLED畫素的時間解析度EL影象。（c）（a）影像中的PL生命週期。（d）（b）影像中的EL生命週期。
結論與重點回顧
在本應用說明中，RMS1000共軛焦拉曼顯微鏡用於對OLED裝置進行PL、EL、TRPL和TREL成像。 結合在一起，這些不同的成像模式提供了有關整個裝置發射層和電極位置的詳細資訊；工作條件下裝置內像素的效率和顏色均勻性；以及不同激發方式產生的放光處於不同能量等極等資訊。
- 光致發光和電致發光是用於開發有機發光二極體（OLED）等顯示器技術的重要成像分析技術。
- 這些技術與共軛焦顯微鏡相結合取得更加的空間解析度，使用RMS1000共軛焦拉曼顯微鏡對OLED裝置的光電子特性進行成像。
- 光譜和時間解析度成像顯示了比單點檢測到更詳細的裝置成分和品質的相關資訊。
References
- A. Salehi et al., Recent Advances in OLED Optical Design, Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808803, DOI: 10.1002/adfm.201808803.
- 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.