基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列及制备制造技术

基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列及制备，属于有机光电子学和纳米光子学技术领域。在玻璃基底上，利用光刻胶纳米光栅作为模版，在纳米光栅每一个凸起栅线的同一侧倾斜面上，制备与所在倾斜面平行的纳米尺度的有机电致发光器件，所述的纳米尺度的有机电致发光器件为以凸起栅线侧面向外依次层叠在一起的阳极层Au、空穴传输层PEDOT:PSS、有机发光层F8BT薄膜、电子传输层LiF、阴极Al。在纳米光栅结构上形成倾斜的有机电致发光器件，所有的有机电致发光器件形成阵列式结构。本器件实现了其端发射工作方式，获得了定向输出的纳米OLED阵列。

Directional Emission Organic Semiconductor Electroluminescent Device Array Based on Metal Nanoelectrodes and Its Fabrication

【技术实现步骤摘要】
基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列及制备
本专利技术属于有机光电子学和纳米光子学
，提出了一种纳米尺度有机半导体电致发光器件(OLED)的设计思想，实现了其端发射工作方式，获得了定向输出的OLED阵列。
技术介绍
有机电致发光器件(organiclightemittingdiodes,OLED)具有视角宽、重量轻、适用于柔性基底、工艺简单等一系列特点，在新型显示和固态照明领域具有巨大的应用前景。典型的透明基底“三明治”平板结构的有机电致发光器件的光耦合输出效率或输出光的提取效率只有20％左右，有80％的光被限制在器件内部或者在传输的过程中被损耗。通过在器件的活性层、电极层甚至基底引入微纳结构，利用衍射和散射效应可以提高器件的耦合输出效率。相关研究已有较广泛报道。但是，这些器件依旧采用平板“三明治”结构，并没有获得较理想的优化效果。目前对于OLED器件的研究多是效率，色度和颜色的稳定性等方面，器件的发射方向性没有得到足够关注。制备具有定向发射特性的OLED器件在生物传感器、自动立体裸眼三维显示器以及可见光通信方向具有重要应用价值。此外，随着纳米技术的飞速发展，尤其是微纳加工技术水平和器件设计能力的不断提升，对于器件微型化和集成度的要求也日益增大。制备微纳尺度的发光器件成为当前光电子
的重点发展方向。
技术实现思路
本专利技术提出一种具有端发射、定向输出特性的纳米尺度有机电致发光器件阵列的设计及制备方法，实现了预期功能。基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，在玻璃基底上，利用光刻胶纳米光栅作为模版，在纳米光栅每一个凸起栅线的同一侧倾斜面上，制备与所在倾斜面平行的纳米尺度有机电致发光器件。所述的纳米尺度的有机电致发光器件为以凸起栅线侧面向外依次层叠在一起的阳极层Au(厚度范围40～100nm)、空穴传输层PEDOT:PSS(厚度范围5～20nm)、有机发光层F8BT薄膜(厚度范围60～100nm)、电子传输层LiF(1～2nm)、阴极Al(60～100nm)。在纳米光栅结构上形成倾斜的有机电致发光器件，所有的有机电致发光器件形成阵列式结构，如图1所示。凸起栅线倾斜面和法线的夹角也即有机电致发光器件的倾斜角度为10°～80°优选30°。此角度可通过改变光栅形貌实现较大范围的调谐，和光栅周期、占空比、调制深度、倾斜蒸镀的角度密切相关。本专利技术所述的定向发射为有机电致发光器件所在的倾斜面方向，以光发射轴为中心强度降为1/2处的角度范围定义为光发射全角。光发射全角范围为有机电致发光器件的倾斜角度±10°所在的角度范围。具体制备流程，共包含以下四个步骤：步骤一：干涉光刻技术制备光刻胶光栅模版；步骤二：在光栅栅线同一侧的所有倾斜面上沉积Au的纳米薄膜阵列作为阳极层；步骤三：然后在阳极层上依次旋涂PEDOT:PSS和F8BT溶液作为空穴传输层和有机发光层；步骤四：然后在步骤三的倾斜面上依次沉积LiF和Al纳米薄膜阵列作为电子传输层和阴极层。上述制备流程中，步骤一中的光栅制备方法可以采用现有的各种微纳结构制备技术，例如电子束刻蚀、反应离子束刻蚀技术等；步骤二、四中的Au、Al、LiF薄膜的制备可以是现有的真空蒸镀技术，也可以采用各种薄膜制备技术，例如磁控溅射、直流溅射等；步骤三中有机发光层的制备可以是现有的旋涂法，还可以采用真空蒸镀、磁控溅射等技术。本专利技术的优势特点(1)本专利技术实现了纳米尺度有机半导体电致发光器件的设计和制备，在光电子集成领域和微电源设计上具有巨大的应用前景。(2)器件的制备采用倾斜蒸镀结合溶液法，工艺简单、成本低，适合大面积制备。(3)器件的尺度在纳米量级，输出的光波经短距离传输后就能实现发射，可以提高器件的出光效率。(4)本专利技术提出的有机半导体电致发光器件具有良好的定向发射特性。通过改变光栅模版的形貌，可以实现不同角度的定向发射。附图说明图1、纳米尺度OLED阵列设计和结构示意图。图2、制备流程：(a)制作周期为500nm的光刻胶光栅；(b)在光栅一侧倾斜蒸镀60nm的Au作为阳极；(c)顺序旋涂的PEDOT:PSS和F8BT溶液作为空穴传输层和有机发光层；(d)在光栅同一侧顺序倾斜蒸镀1nmLiF和100nmAl作为电子传输层和阴极。图3、纳米尺度OLED阵列的横截面SEM图像。图4、不同发射方向下器件的电致发射光谱(U＝22V)。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。实施例1(1)、选取大小为2×2cm2的玻璃作为基底，反复清洗之后再用高功率氧等离子刻蚀5～10min，完全去除基片上的有机物。然后，在基片上旋涂S1805光刻胶，转速3000rpm，旋涂30s。制备厚度约为200nm的光刻胶薄膜。随后将样品放在加热板上在110℃下加热90s。接着利用343nm的激光干涉光路对样品进行曝光，显影之后可以获得周期为500nm，调制深度约为180nm的光刻胶光栅结构，如图2(a)。(2)、以光刻胶光栅的栅线为制备纳米尺度的有机电致发光器件的模版。利用倾斜蒸镀技术在光栅一侧沉积Au层作为阳极，如图2(b)。Au薄膜的厚度约为60nm，蒸镀时的倾斜角度设定为55°。(3)、以转速4000rpm旋涂20nm厚的PEDOT:PSS(浓度为1.3～1.7％的水溶液)作为器件的空穴传输层，时间为30s。为了使样品中的水蒸汽完全蒸发，将其放置在110℃的加热板上10min。然后以二甲苯为溶剂，配制溶度为15mg/ml的F8BT溶液，并将其旋涂在PEDOT:PSS层上，转速为3500rpm，旋涂30s。形成厚度约为100nm的F8BT薄膜作为器件的有机发光层。再次将样品放在80℃的加热板上，加热时间为5min，如图2(c)。(4)、利用倾斜蒸镀技术依次沉积1nm的LiF和100nm的Al作为器件的电子传输层和阴极(如图2(d))。参考步骤(2)，倾斜蒸镀的方向和角度与蒸镀Au时一致。在OLED器件阵列的横截面SEM图中(如图3)，可以观察到在每条光栅栅线侧面都形成了独立的OLED器件。Au和Al电极层位于光刻胶光栅栅线的同一侧面，每个器件由纳米尺度的Au和Al电极夹着F8BT有机发光层和相应的电子、空穴传输层构成。光栅栅线倾斜面和法线的夹角为30°，因此有机电致发光器件的倾斜角度也为30°。这种纳米尺度器件在有机发光层中产生的光不需要传播很长距离就可以实现发射，有效降低了光被限制在器件内部或者传输过程中的损耗。同时器件具有良好的定向发射性。图4给出了在不同角度下测得的器件的电致发光光谱(驱动电压U＝22V)。将样品的法线方向定义为0°位置，每隔10°增大测试的角度。当光纤探头置于光栅斜面方向附近，即在20°、30°和40°位置时，可以获得最强的光谱峰值信号。此时测试位置正好和器件光输出方向一致。随着测试角度偏离光发射方向，得到的器件发射光信号也越来越弱。在60°时，几乎探测不到光谱信号。器件角度调谐光谱的变化，说明器件的耦合输出光会沿着和光栅倾斜面平行的方向发射，在定向发射位置，可以收集到很强的电致发光光谱。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，在玻璃基底上，利用光刻胶纳米光栅作为模版，在纳米光栅每一个凸起栅线的同一侧倾斜面上，制备与所在倾斜面平行的纳米尺度的有机电致发光器件，所述的纳米尺度的有机电致发光器件为以凸起栅线侧面向外依次层叠在一起的阳极层Au、空穴传输层PEDOT:PSS、有机发光层F8BT薄膜、电子传输层LiF、阴极Al；在纳米光栅结构上形成倾斜的有机电致发光器件，所有的有机电致发光器件形成阵列式结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，在玻璃基底上，利用光刻胶纳米光栅作为模版，在纳米光栅每一个凸起栅线的同一侧倾斜面上，制备与所在倾斜面平行的纳米尺度的有机电致发光器件，所述的纳米尺度的有机电致发光器件为以凸起栅线侧面向外依次层叠在一起的阳极层Au、空穴传输层PEDOT:PSS、有机发光层F8BT薄膜、电子传输层LiF、阴极Al；在纳米光栅结构上形成倾斜的有机电致发光器件，所有的有机电致发光器件形成阵列式结构。2.按照权利要求1所述的一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，阳极层Au厚度范围40～100nm。3.按照权利要求1所述的一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，空穴传输层PEDOT:PSS厚度范围5～20nm。4.按照权利要求1所述的一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，有机发光层F8BT薄膜厚度范围60～100nm。5.按照权利要求1所述的一种基于金属纳米电极的定向发射有机半导体电致发光器件阵列，其特征在于，电子传输层LiF的厚度范围1～2nm。6.按照权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新平，黄翠莺，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11