局域性表面電漿共振效應應用於OLED出光增益之研究

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陳玨儒(Jyue-Ru Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

局域性表面電漿共振效應應用於OLED出光增益之研究

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摘要(中)

本研究以數值模擬及實驗驗證進行局域性表面電漿共振效應(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)應用於有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode, OLED)出光增益之參數優化之研究。
近年來，OLED成為熱門的新興節能產品，相較於開發較早的LED，近年才竄起的OLED具有面光源、低能耗等優點，但因開發時間較晚，OLED的發光強度尚遜於LED，若想要取代LED在市場上的地位，勢必要有重大超越。在許多提升OLED發光強度的研究中，於OLED結構中加入奈米級金屬粒子，可引發LSPR，進而有效且直接地提升其電致發光強度的特性。
本研究針對LSPR應用於增益OLED發光強度進行以預測為目的之模擬研究，藉由建構粒子隨機位置分佈及隨機大小之模擬模型，模擬蒸鍍佈局之金屬奈米粒子的LSPR效應；於實驗，本研究在ITO玻璃上進行金屬銀奈米粒子佈局，提升OLED元件之出光效益，並驗證模擬結果與LSPR效應於OLED元件中發光增益之趨勢。
根據本研究的模擬結果，當金屬粒子的周圍介質從空氣改成有機材料，LSPR吸收截面會從藍光紅移約60~80nm至綠光波段；本研究的實驗結果證實LSPR可確實提升OLED中，綠光及紅光的出光增益約1.5倍，並且大幅減少所需的研究時間和成本。

摘要(英)

In this research, we utilize numerical simulation and experimental verification investigating the optimized process parameters for enhancing the emitting efficiency of organic light-emitting diode (OLED) by localized surface plasmon resonance (LSPR).
OLED has developed rapidly in recent years, it has advantages such as surface lighting, flexibility and low heat loss. However, the technology of OLED is dropping behind LED because of late discovery. OLED must to improve the emitting intensity and decrease the fabricate cost to compete with LED and LSPR effect is the direct way to solve both problem.
In numerical simulation, we set-up a simulate process to build a model in a random location and sizes of particles to simulate the LSPR effect on film particles based on a physical vapor deposition (PVD) case. In the experiment, we used E-gun evaporation to deposit silver thin film on ITO glass, to verify the emitting gain of OLED by LSPR and the accuracy of the luminous gain to compare with the modeling results.
The simulation results showed that when the surrounding medium changed from air to organic material, the LSPR cross section was red-shifted about60~80nm from blue band to green band. The experimental results demonstrated that LSPR could enhance the emitting intensity of OLED in an order of 1.4 and 1.5 magnitudes in the green band and red band. It was a reasonable agreement between simulation and experimental results in light of saving fabrication time and cost.

關鍵字(中)

★ OLED
★ LSPR
★ 表面電漿共振

關鍵字(英)

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景及動機 2
1-3 文獻回顧 4
1-4 研究目標 6
第二章理論介紹 8
2-1 有機發光二極體 8
2-1-1 OLED發展歷程 8
2-1-2 OLED作動原理 10
2-1-3 OLED技術分析 12
2-2 局域性表面電漿理論 16
2-2-2 電磁波與金屬奈米粒子的交互作用[38] 18
2-2-3 金屬奈米粒子之尺寸對局域性表面電漿共振吸收波長的影響 20
2-2-4 金屬奈米粒子於不同介質中對局域性表面電漿共振吸收波長的影響 23
2-2-5 金屬奈米粒子間之交互作用對局域性表面電漿共振吸收波長的影響 25
第三章研究方法及實驗流程 27
3-1 研究方法 27
3-2 樣品製作及機台介紹 29
3-3-1 樣品製作 29
3-3-2 電子槍蒸鍍機(E-GUN Evaporator) 31
3-3-3 原子力顯微鏡 33
3-3-4 UV-VISIBLE光譜儀 35
3-3 數值模擬方法 36
3-3-1 有限元素法[52] 37
3-3-2 電磁波方程式[53] 39
3-3-3 散射、吸收以及消光截面 40
3-3-4 完美匹配層 41
3-3-5 幾何結構 43
3-3-6 材料參數 46
第四章實驗結果 48
4-1 先行實驗之動機 48
4-2 金屬銀奈米粒子幾何參數及吸收光譜之取得 48
4-2-1 製程a結果 49
4-2-2 製程b結果 51
4-2-3 製程c結果 53
4-2-4 製程d結果 55
4-2-5 製程參數及製程結果整理 57
4-3 模擬結果 58
4-3-1 隨機位置分佈模型a的模擬結果 58
4-3-2 隨機位置分佈模型b的模擬結果 59
4-4 銀奈米粒子佈局於OLED元件中之出光結果 61
第五章結論與未來展望 63
第六章參考文獻 65

圖目錄
圖 1-1 OLED照明之技術發展 3
圖 1-2 白光OLED EL光譜 7
圖 2-1 OLED發展史 9
圖 2-2 OLED發光原理 11
圖 2-3 有機發光二極體能量傳遞 12
圖 2-4 網版印刷機 (a)平板式 (b)旋轉式 13
圖 2-5 表面電漿增益流程及效率 14
圖 2-6 PLED結構及量測結果 15
圖 2-7 OLED結構及測試結果 (a)元件結構 (b) 元件效率圖 15
圖 2-8 (a)表面電漿共振 (b)局域性表面電漿共振 17
圖 2-9 不同粒徑之金奈米粒子吸收光譜 22
圖 2-10 不同形狀之金奈米粒之(a)暗視野顯微鏡(dark-field microscope) 及 (b)散射光譜 23
圖 2-11 金奈米粒子在不同折射率的溶液中的顏色變化 24
圖 2-12 金奈米粒在體積分率下與局域性表面電漿波峰位置之關係圖 25
圖 2-13 不同粒子間距對於消光峰值位置之影響 (a)量測結果及 (b)消光光譜峰值與金屬粒子間距之關係 26
圖 3-1 研究流程圖 28
圖 3-2 樣品製作流程圖 29
圖 3-3 電子束蒸鍍機結構之示意圖 32
圖 3-4 電子槍蒸鍍機機台示意圖 33
圖 3-5 原子力顯微鏡儀器示意圖 34
圖 3-6 積分球原理示意圖 35
圖 3-7 UV-VISIBLE光譜儀儀器示意圖 36
圖 3-8 四邊形及三角形網格示意圖 37
圖 3-9 幾何結構示意圖 43
圖 3-10 幾何結構之(a)俯視圖 (b)側邊截面圖以及 (c)模型結構之示意圖 44
圖 3-11 隨機位置分佈模型a 45
圖 3-12 隨機位置分佈模型b 45
圖 3-13 銀奈米粒子之n、k值 47
圖 3-14 ITO之n、k值 47
圖4-1 製程a之未退火試片之AFM量測結果 49
圖 4-2 製程a之退火200℃試片之AFM量測結果 49
圖 4-3 製程a之吸收光譜之量測結果 50
圖 4-4 已氧化的試片 51
圖 4-5 製程b之吸收光譜之量測結果 52
圖 4-6 製程c之未退火試片之AFM量測結果 53
圖 4-7 製程c之退火200℃試片之AFM量測結果 53
圖 4-8 製程c之吸收光譜之量測結果 54
圖 4-9 製程d之未退火試片之AFM量測結果 55
圖 4-10 製程d之退火200℃試片之AFM量測結果 55
圖 4-11 製程d之吸收光譜之量測結果 56
圖 4-12 模型a於空氣中(n=1.0)之吸收截面 58
圖 4-13 模型a於有機材料層中(n=1.7)之吸收截面 59
圖 4-14 模型b於空氣中(n=1.0)之吸收截面 60
圖 4-15 模型b於有機材料層中(n=1.7)之吸收截面 60
圖 4-16 製程b之OLED元件之出光強度 61
圖 4-17 製程d之OLED元件之出光強度 62

表目錄
表 2-1 11種金屬的電漿頻率 20
表 2-2 11種金屬的Lorentz-Drude參數 20
表 3-1 隨機位置分佈模型a的結構參數 45
表 3-2隨機位置分佈模型b的結構參數 46
表 4-1製程a之量測結果 50
表 4-2製程b之量測結果 52
表 4-3製程c之量測結果 54
表 4-4製程d之量測結果 56
表 4-5 各次製程之參數及量測結果 57
表 4-6 各次製程量測結果 57

參考文獻

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指導教授

利定東

審核日期

2016-12-1

推文