Technical Approach to Improve the Detective Efficiency of Microchannel Plate for Low Energy Electron
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摘要: 为了提高静电聚焦型微通道板光电倍增管探测效率，重点研究微通道板的探测效率。分析影响微通道板对电子探测效率大小的主要因素，利用微通道板探测效率的理论模型，考虑在垂直入射到输入面的情况下，模拟计算出不同能量（Ee＜1 keV）的入射电子打入非开口区对探测效率的贡献，结合开口区域的探测效率，即获得微通道板总的探测效率，并把模拟计算结果与实际测量相比较，两者基本一致；通过在微通道板的输入端面和通道内壁蒸镀高二次电子发射系数的材料、改变电极蒸镀方式和增加开口面积比，获得接近100%的探测效率，进而有效地提高了这种光电倍增管的探测效率。
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0. 引言
有机电致发光器件（organic light-emitting diodes，OLED）的主要优点是轻薄，低功耗，高效率，高对比度，高色域，以及可以实现大面积多色显示和柔性显示等[1-2]。为商业利益所激发，近年来，OLED器件的研发呈现爆炸式增长态势。同时客户对OLED产品性能的要求也越来越高，因此，新型OLED器件在可靠性、色度、对比度和发光效率上仍然面临着解决重大问题的挑战。
提高OLED的电子注入能力对实现高效率器件非常重要。迄今为止，科研人员为了提高有机电致发光器件的电子注入能力，已经做出了大量的研究工作，多种阴极结构被不断地研发和设计出来。其中，一些含有低功函数金属的合金，其电子注入性能十分出色[1]。如Li: Al，Mg: Ag，Mg: Al，Cs: Al等[3]。早在1987年，Kodak公司首次提出双层结构的器件，使OLED器件驱动电压大幅降低，使用的就是合金阴极。这也是合金阴极第一次被报道应用于OLED器件中。此外，由于合金的形成，使得器件稳定性得到大幅提高，延长了器件的使用寿命。同时，由于其具有高透光性，在透明有机电致发光器件及顶发光器件中得到广泛应用[4]。科研人员[5]使用较低功函数金属电极或金属复合电极代替Al电极，合成Mg: Ag和Mg: Al阴极。与纯Al电极和Mg: Al相比，Mg: Ag阴极合成的OLED光电性能得到了有序的增强。与金属镁相比，金属镱Yb（2.6 eV）具有更低的功函数，Yb: Ag合金阴极的功函数与OLED有机结构更加匹配，且能够减小接触势垒，有效改善器件效率[6]。本文以Ag和低功函的Yb共蒸合成Yb: Ag合金阴极，通过优化镱银阴极的厚度和掺杂比例，研究其变化对OLED器件性能的影响。
1. 实验部分
1.1 器件制备
顶发射白光OLED微型显示器件采用Yb: Ag合金作为阴极层，TPBI和LiF为电子层，FIrpic+3.5%Ir(ppy)3+0.5%Ir(MDQ)2(acac)为发光层，NPB: LiQ/TCTA为空穴层。通过调控Yb: Ag阴极的厚度和掺杂比例制备了不同的白光OLED微型显示器件。器件结构及主要有机材料结构图如图 1所示。
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图 1 顶发射白光OLED显示器件结构及有机材料结构Figure 1. Configuration of the top emitting white OLED device and molecular structures of the organic materials1.2 性能表征
OLED微型显示器件的电压、亮度、色坐标和电致发光光谱通过电脑联控的Keithley 2400电源和Research PR655进行测量。测试时，所有器件均处于暗室条件下。
2. 结果与讨论
图 2(a)、(b)为不同厚度的Yb: Ag阴极合成的5个OLED器件的电流密度/电压（J-V）特性和亮度/电压（L-V）特性曲线。可以看出，在电流密度相同的情况下，5个器件的电压随电极厚度的增加先减小后增大。电极厚度＜16 nm时，随着厚度的增加，器件的电压逐渐减小，当电极厚度＞16 nm时，器件的电压开始增大。原因为适当厚度的阴极层电子注入的能带势垒较低，从而所需的电场强度也较低，电子能够更为有效地注入[7]。在相同电压下，5个器件的亮度依次为B(20 nm)＜B(16 nm)＜B(14 nm)＜B(11 nm)＜B(12 nm)，阴极厚度小于12 nm时，电子注入的能力较弱，电子与空穴复合减弱，导致器件发光亮度减小。当阴极厚度大于12 nm，器件的透光性随阴极厚度的增加而减小，导致其发光亮度逐渐下降。图 2(c)为器件在不同厚度的阴极下的电流密度-亮度关系（效率）曲线，当阴极厚度为12 nm时，器件的电致发光效率达到最大值，其亮度也达到了最大值，当进一步增加镱银阴极的厚度，虽然电子注入能力不断改善，但顶部发光亮度和发光效率都逐渐下降。原因为随着镱银阴极厚度的逐渐增加，虽然电极的导电能力增强，但是器件增加的光场不足以补偿因透光度减小导致的发光损失，因此发光效率开始下降[8]。
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图 2 不同厚度的Yb: Ag阴极合成的OLED器件Figure 2. Various thickness of Yb: Ag cathode synthesis of OLED devices表 1列出了不同Yb: Ag阴极厚度的5个器件测试参数，更为直观地反映出其变化关系。图 2(d)为5个OLED器件的归一化光谱，器件的电流密度为20 mA/cm2，由图可知，器件在470 nm和490 nm附近存在两个蓝光发光峰，在570 nm附近存在一个黄光发光峰。其黄光峰峰值随镱银电极厚度增加呈下降趋势，表明其黄光发光激子复合减弱。结合器件的CIE坐标（图 2(e)）进行分析，随镱银电极厚度增加，器件的CIE坐标逐渐往蓝光方向漂移，由11 nm的(0.3373, 0.3967)漂移到20 nm的(0.2812, 0.3810)，观察到的器件发光颜色同样逐渐变蓝，其结果与光谱测试结果一致。阴极厚度过厚，电子注入到电子传输层以及迁移到界面层的时间会长一些，此时，在电场作用下，空穴经空穴传输层早已跃迁至界面层，因此，激子复合区域向TPBI/LiF界面移动，捕获的电子发生浓度猝灭，减弱了红光发光，导致色度变化[9]。
表 1 不同Yb: Ag阴极厚度下器件的性能参数Table 1. Performance parameters of the device at various thickness of Yb: AgYb: Ag thickness/nm Voltage/V Luminance/(cd/cm2) CIE(X, Y) 11 4.12 1452 0.3373, 0.3967 12 4.08 1387 0.3263, 0.3943 14 4.06 1293 0.3162, 0.3936 16 4.05 1201 0.3038, 0.3896 20 4.04 1007 0.2812, 0.3810 在优化的12 nm镱银阴极厚度基础上，通过改变Ag的掺杂比例进一步探究器件的光电性能，合成了不同镱银掺杂比的阴极制备的4个OLED器件。图 3(a)、(b)、(c)显示器件的电压-电流密度关系、电压-亮度关系、电流密度-亮度关系，表 2列出了4个器件的测试数据，结果表明，不同的镱银掺杂比例对器件I-V性能影响不大，在相同电压下，器件的亮度随银的掺杂比例增加，呈现先增大后减小的趋势。可以看到，随着阴极中银的掺杂比由8%增大到20%，8%的镱银阴极器件具有最高的发光强度，20%的器件表现最低。这是由于不同掺杂率的镱银阴极具有不同的费米能级，因此，电子从阴极注入到有机层的数量不等[10]。根据实验结果，掺杂比例为10%的阴极，载流子数量较多，在相同电压下，复合几率更多，从而发光效率较高，色度较为纯正，能量转移较为平衡。图 3(d)为4个OLED器件的归一化光谱，由图可知，不同掺杂比下器件的EL谱峰波动较小，发光峰位置没有改变，随掺杂比例的增加，黄光发光峰（570 nm）强度逐渐减小，在8%掺杂的器件中展现出最高的强度。图 3(e)为4个器件的CIE坐标，随着银的掺杂比例增加，器件的CIE坐标逐渐往蓝光方向漂移，由8%的(0.3426, 0.3940)漂移到20%的(0.3260, 0.3850)，主要由于银对近红外光有吸收作用[11]，随着银的掺杂比例增加，器件的黄光峰被削弱。
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图 3 不同掺杂比例的Yb: Ag阴极合成的OLED器件Figure 3. Different doping ratios of Mg: Ag cathode synthesis of OLED devices表 2 不同Yb: Ag掺杂比例的器件性能参数Table 2. Performance parameters of the device at different Yb : Ag doping ratiosYb: Ag ratio Voltage/V Luminance/(cd/cm2) CIE(X, Y) 10:0.8 3.99 1459 0.3426, 0.3940 10:1 3.99 1406 0.3407, 0.3922 10:1.5 3.97 1329 0.3325, 0.3901 10:2 3.98 1230 0.3260, 0.3850 3. 结论
本文以顶发射白色发光层为基础，以镱银合金为阴极，通过改变镱银阴极的厚度和掺杂比例，研究其变化对顶发射白光OLED器件性能的影响，结果表明，当镱银合金阴极的厚度为12 nm，掺杂比例为10:1时，器件的性能最优，在20 mA/cm2电流密度下，驱动电压为2.3 V，亮度为1406 cd/m2，色坐标为(0.3407, 0.3922)。并且，随着镱银电极厚度的同比例增加和银掺杂比例的增加，器件的色坐标都往蓝光方向偏移。
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