多尺度复合微纳米结构的构筑及其对QLED器件出光性能的影响

发布时间：2020-04-19 23:00

【摘要】：量子点发光二极管(Quantum Dot Light-Emitting Diodes,QLED)因具有良好的材料稳定性、发光波长随量子点尺寸大小连续可调、发光光谱窄、可全溶液法构筑等优点,受到越来越多科研工作者的关注。由于QLED器件采用“三明治”式多层堆叠结构,其发出的光约80%被器件内部层与层之间全反射引起的波导模式、ITO玻璃与空气之间的基底模式以及金属电极之间产生的表面等离子体效应等非辐射耦合方式所耗散,最终只有约20%的光可以从器件中发射出来。这些无法出射的光会转化为热能,而热量积累会造成器件的效率和寿命急剧滚降。因此,提高光取出效率,降低器件内部热量积累是提升器件外量子效率、寿命的关键。为了增加器件的光取出效率,把不同的微纳米结构引入到器件中来提高器件的外量子效率已成为当前的主流手段。微纳米结构根据形貌又可以分为周期性结构和非周期性结构,周期性结构在增强器件出光上更加倾向于增强特定角度的光输出,而非周期性微纳米结构对光线的波长没有选择性,通过散射来增强出光。但存在结构无序,粗糙度较大等问题,很容易引起光源雾化。因此在周期性结构和非周期性结构之间找寻不改变器件光谱特性又同时能提高QLED器件出光效率的微纳米结构是至关重要的。本论文利用纳米压印技术构筑了具有网格结构的周期性微米结构,利用反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)技术构筑了褶皱的非周期微纳米结构以及二者结合的复合微纳米结构来增强绿光QLED器件出光,在不改变器件本身性质的条件下深入研究微纳米结构对出光效率的影响。为了系统研究微纳米结构增加器件亮度的特性以及器件出光效率提升的原因,选用时域有限差分法(Finite-Difference-Time-Domain,FDTD)对有无微纳米结构的QLED器件进行仿真拟合,并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)测试微纳米结构在可视角度下的观测特性,结合实验结果阐明微纳米结构增强QLED器件出光效率的原因。本论文的研究内容分为以下三部分:(1)利用纳米压印技术结合反应离子束刻蚀技术构筑多种微纳米结构:采用纳米压印技术构筑光栅结构:通过纳米压印技术得到二维光栅结构,采用微贴附在玻璃基底上获得纵横方向周期均为700 nm,高度为45 nm的网格结构。采用RIE刻蚀技术构筑褶皱结构:通过控制功率大小,调控RIE刻蚀时间,得到刻蚀10 s时褶皱结构初始高度为35 nm,随后每10 s增加约15 nm深度的褶皱图案。采用纳米压印技术结合RIE刻蚀技术构筑复合结构:采用纳米压印技术构筑二维光栅结构后,利用微贴附技术在玻璃基底上获得网格结构,再通过RIE刻蚀,获得纵横方向周期均为700 nm,褶皱高度随刻蚀时间增加的网格复合褶皱结构。(2)具有高出光效率绿色QLED器件的构筑:网格结构的引入使得基底透过率增加为88.71%,使绿光QLED器件最大亮度由151500 cd/m~2提升至155900 cd/m~2,在观测度上仍存在角度依赖特性;褶皱结构使得基底透过率增加为88.65%,使得QLED器件的亮度由151000 cd/m~2提升至154900 cd/m~2,EQE由10.52%提升至12.22%,并且在观测度上趋于朗伯发射;网格复合褶皱结构使得基底透过率增加90.48%,使得绿色QLED器件最大亮度由122400 cd/m~2提升至178700cd/m~2,EQE由12.29%提升至17.94%,并且在提高效率的同时,不会对峰位与显色指数造成影响,并且大大减少角度依赖性。(3)利用FDTD对有无纳米结构的QLED器件进行仿真拟合:通过FDTD软件建立QLED器件模型,随后在QLED器件模型基底上建立微纳米结构,在波长为518 nm的条件下对有无微纳米结构的QLED器件进行FDTD模拟。采用偶极子光源进行模拟能较直观的观察到光在界面层和空气间的全反射现象,对比各种模拟结果均表明,网格复合褶皱结构使得空气界面光子增强最为明显,可以有效的提取多个方向的光子。随后采用FFT处理微纳米结构,结果表明网格复合褶皱结构不仅在可视角趋近于朗伯发射,而且对于不同波长的光也具有更大的普适性。
【图文】：

结构能,结构图,量子点

1.2 量子点发光器件二极管(QLED)概述1.2.1 QLED 的发光机制QLED 作为一种新型半导体器件，是当下最受业内关注的电致发光器件之一[20-22]。QLED 器件的组成分为：阴极(Cathode)/电子传输层(Electron transport layer, ETL)/发光层(Emitting layer, EML)/空穴传输层(Hole transport layer, HTL)/空穴注入层(Hole injectionlayer, HIL)/阳极(Anode)，如图 1-1(a)所示，器件的功能层多采用旋涂法制备成膜，总厚度仅为纳米尺度，属于薄膜光电器件。量子点发光二极管是在电压驱动下，通过电子和空穴复合后激发量子点材料发光，，这是一种电致发光(Electroluminescence，EL)现象。量子点发光的基本原理如图 1-1(b)所示，在给定电压下，通常认为是电子和空穴分别从各自电极出发，通过中间电荷传输层注入到 QDs 层发光。

分布图,比率图,发光过程,光损耗

图 1-2 (a) QLED 发光过程光损耗比率图 (b) 不同厚度电子传输层下 QLED 出光损耗分布图[26]1.3 微纳米结构的特性1.3.1 微纳米结构的构筑方法微纳米结构，顾名思义就是由微纳米级别单元所组成的结构。其构筑的方法可大致分为“自上而下”和“自下而上”两大类[27]。自上而下法是通过外力使母板与样品直接接触，从而达到复制或转印母板结构的目的，常用的手段有刻蚀、光刻以及纳米压印技术等[28-30]。刻蚀技术是运用物理或化学的方法，选择性的在样品表面进行图案处理。其分辨率可以不受光学的波长和电子束散射的影响，能够在纳米尺度下大规模的构筑和转移有序纳米结构，图 1-3(a)为采用刻蚀技术构筑图案化的 ITO 流程图。光刻技术一般是指紫外光透过掩模板照射到具有光敏聚合物的样品上时，聚合物发生特定反应后微纳米结构在样品上形成的现象。可通过选取不同的模板得到相对应的表面结构。光刻技术的优势在
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312.8;TB383.1

【参考文献】