Nanostructures for emission control in organic light-emitting layers

Kluge, Christian

Organic light-emitting diodes (OLEDs) are promising light sources on their way into displays, general lighting, and optical sensing systems. However, a large portion of the generated light is trapped as guided modes in an OLED, due to its thin-film structure of high refractive index. These guided modes can be extracted with nanostructures in the thin films, but the extracted light modifies the OLED emission. Depending on the application, different emission characteristics are required and it is hence desirable to control the light outcoupling by the nanostructure’s design. This thesis investigates guided mode outcoupling with gratings, i.e. onedimensional nanostructures, by modeling, simulations, and experiments for lighting and sensing applications. A model is developed that gives physically insightful expressions for the intensity of guided mode scattering at a thin, binary grating. The intensity of each scattering order is shown to be proportional to the squared modulus of the corresponding grating’s Fourier coefficient, the mode overlap with the grating region, the Airy factor of the cavity, the standing wave factors, and a directional term. By analysis of the TE0 -mode attenuation constant α with this model and rigorous coupled wave analysis (RCWA), it is demonstrated that the outcoupling intensity in a grating OLED-like waveguide strongly depends on the grating period and the waveguide thickness. A drawback of guided mode outcoupling by single-period gratings is the induced color impression for the viewer as a guided mode is mainly scattered in a single wavelength-dependent direction. To overcome this limitation, this thesis introduces compound binary gratings as a novel multi-periodic nanostructure for use in OLED-like waveguides. The superposition of multiple single-period gratings yields a structure that scatters each wavelength into multiple directions. Photoluminescence measurements of an organic light-emitting layer structured by 24 different compound binary gratings show that the intensity of each scattering direction can be controlled by the duty cycle of the respective component grating. The application of an organic emitter layer structured by a single-period grating as light source for refractive index sensing is presented. Due to the directionality introduced by Bragg scattering of guided modes, a 3.6 times higher sensitivity is achieved compared to an unstructured light source and a refractive index change of 4 · 10−4 could be detected. Additionally, by using the angle- and wavelength-dependent Bragg scattering to spectrally encode the critical angle of total internal reflection, a sensitivity of 700 nm per refractive index unit is demonstrated. In conclusion, this thesis provides a better understanding, greater design freedom and novel applications of guided mode outcoupling from OLEDs.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind vielversprechende Lichtquellen, die zur Zeit Eingang in Displaytechnik, Allgemeinbeleuchtung und optische Sensorik finden. Es besteht allerdings das Problem, dass ein großer Anteil des erzeugten Lichtes in Wellenleitermoden der OLED-Dünnschichtstruktur gefangen ist. Eine Möglichkeit, diese geführten Moden auszukoppeln ist die Nanostrukturierung der dünnen Schichten, allerdings wird hierdurch auch die Abstrahlung der OLED verändert. Da je nach Anwendung unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken erforderlich sind, ist eine Kontrolle der Lichtauskopplung durch ein gezieltes Design der Nanostruktur wünschenswert. Diese Arbeit untersucht daher mit Hilfe von Modellierung, Simulationen und Experimenten die Auskopplung von geführten Moden aus OLED-Wellenleitern mittels Beugungsgittern, d.h. eindimensionalen Nanostrukturen. Dabei werden Anwendungen des ausgekoppelten Lichtes für die Allgemeinbeleuchtung und Sensorik diskutiert. Es wird ein Modell für die Intensität der Bragg-Streuung von Wellenleitermoden an dünnen, binären Gittern entwickelt. Dieses Modell beschreibt die Intensität jeder Beugungsordnung mittels der Gitter-Fourierkoeffizienten, der integralen Modenintensität im Bereich des Gitters, der Quellen-Interferenz in der Dünnschichtstruktur und eines Richtungsfaktors. Mit Hilfe dieses Modells und der RCWA-Methode wird gezeigt, dass die Wellenleiterdicke und die Gitterperiode entscheidend für die Auskopplungsstärke der TE0 -Mode in einem OLED-Wellenleiter sind. Ein Nachteil der Modenauskopplung mittels eines einfach-periodischen Gitters ist der damit verbundene Farbeindruck, der durch die wellenlängenabhängige Richtung der Braggstreuung entsteht. Daher werden in dieser Arbeit multi-periodische Gitter für die Modenauskopplung vorgestellt, die durch die Überlagerung mehrerer einfach-periodischer Gitter gebildet werden. Es wird theoretisch und experimentell gezeigt, dass diese Gitter eine Wellenleitermode je Wellenlänge in mehrere Richtungen gleichzeitig auskoppeln. Anhand von Photolumineszenzmessungen einer organischen Emitterschicht mit 24 verschiedenen multi-periodischen Gittern wird zudem demonstriert, dass die Intensität der einzelnen Richtungen mittels der Tastverhältnisse der Gitterkomponenten gesteuert werden kann. Des Weiteren wird eine gezielte Nutzung des ausgekoppelten Wellenleiterlichtes für einen Brechungsindexsensor gezeigt. Durch die verstärkte Abstrahlung in einen kleinen Winkelbereich bei der Auskopplung mittels eines einfach-periodischen Gitters konnte eine 3,6-fache Empfindlichkeit gegenüber einer unstrukturierten Emitterschicht erreicht werden und ein Brechungsindexunterschied von 4 · 10−4 detektiert werden. Zudem wird eine spektrale Messmethode vorgestellt, bei das ausgekoppelte Wellenleiterlicht dazu genutzt wird, eine Wellenlängenverschiebung bei einer Brechungsindexänderung zu messen. Dabei wurde eine Empfindlichkeit von 700 nm pro Brechungsindexeinheit erreicht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Wellenleitermodenauskopplung aus OLEDs und zeigen Wege auf, diese Auskopplung vielfältiger zu entwerfen und einzusetzen.

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Kluge, Christian: Nanostructures for emission control in organic light-emitting layers. 2014.

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