利用納米壓印技術(shù)構(gòu)筑高效的QLED器件及其出光性能研究

1、利用納米壓印技術(shù)構(gòu)筑高效的QLED器件及其出光性能研究1994年Alivisatos小組首次將CdSe膠體量子點(diǎn)(QDs)應(yīng)用到發(fā)光二極管，標(biāo)志著量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QLED)發(fā)展研究的開始。二十多年來,QLED已經(jīng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展,紅、綠、藍(lán)QLED器件的外量子效率分別提升至20.5%、20.0%、18.0%,接近了理論最大值。但這一數(shù)值與當(dāng)下流行的有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)還有一定差距，還不能完全滿足商業(yè)化的要求。其中問題之一就是光取出問題，由理論分析可知，由于QLED器件的內(nèi)部全反射、表面等離子激元模式、基板模式等致使大量的光困于器件內(nèi)部,限制了QLED效率的進(jìn)一步提升。在OLED器件中,通

2、過引入合適周期的微納米陣列結(jié)構(gòu)已成為提高外量子效率的一個(gè)重要手段，應(yīng)用的結(jié)構(gòu)如蛾眼結(jié)構(gòu)、乃柵結(jié)構(gòu)、柱狀結(jié)構(gòu)和各種一維、二維納米圖案等,其光取出效率均有大幅度提升。根據(jù)微納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用的不同位置,可以大體分為內(nèi)結(jié)構(gòu)與外結(jié)構(gòu)，它們都對(duì)器件的出光效率起到了一定的增強(qiáng)作用，而相比外結(jié)構(gòu)，內(nèi)結(jié)構(gòu)可以影響器件中多層膜結(jié)構(gòu),且合適的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)解決波導(dǎo)模式與表面等離子激元模式對(duì)出光的限制,從而使器件的外量子效率得到極大的提升。在傳統(tǒng)QLED中，空穴注入層一般采用PEDOT:PSSo其水溶液具有旋涂成膜性好，電導(dǎo)率高,在可見光區(qū)透光率高等優(yōu)點(diǎn)。并且其在大氣環(huán)境下可穩(wěn)定存在,相較其它層而言便丁微納米結(jié)構(gòu)圖案化加工

3、,且位于整個(gè)器件的最下層,故此本論文選擇了圖案化的PED0T:PSS來構(gòu)筑QLED器件，用以研究微納米結(jié)構(gòu)對(duì)QLED器件出光效率的影響。由于PED0T:PSS為水溶液,可塑性較差,無明顯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,并不符合傳統(tǒng)納米壓印技術(shù)要求。本論文以納米壓印技術(shù)為基礎(chǔ)，以少量?jī)?nèi)三醇作為增塑劑,通過二次壓印技術(shù)構(gòu)筑了多種不同圖案的PEDOT:PSS薄膜,并將其應(yīng)用到QLED器件中，用以探究微納米結(jié)構(gòu)的引入對(duì)器件光電特性的影響。最后,利用時(shí)域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)對(duì)器件出光性能進(jìn)行分析擬合,結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果深入分析了微納米結(jié)構(gòu)的引入對(duì)提高QLED器件

4、出光效率的影響的原因。本論文的研究?jī)?nèi)容分為以下三個(gè)部分：(1)利用單一光柵結(jié)構(gòu)Si模板制備多結(jié)構(gòu)PEDOT:PSS圖案：采用700nm周期，350nm線寬，130nm溝槽深度的Si材質(zhì)模板,利用IPS聚合物轉(zhuǎn)移Si模板上的一維光柵結(jié)構(gòu)，隨后利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)制IPS來得到一維光柵結(jié)構(gòu)的PDMS印章。此外,在對(duì)IPS模板進(jìn)行一次壓印后旋轉(zhuǎn)適當(dāng)角度進(jìn)行二次壓印,通過提高壓力與降低溫度等手段，以此獲得柱狀結(jié)構(gòu)的IPS模板,再對(duì)其進(jìn)行PDMS澆筑復(fù)制從而得到與之形狀相對(duì)應(yīng)的PDMS印章。最后使用得到的兩種圖案的PDMS柔性模板結(jié)合納米壓印技術(shù)在PEDOT:PSS上構(gòu)筑一維、二維光柵結(jié)構(gòu)，

5、作為圖案化的空穴注入層應(yīng)用到QLED器件中。本章對(duì)Si模板、IPS聚合物模板、PDMS柔性模板以及壓印得到的圖案化PEDOT:PSS進(jìn)行了形貌分析和表征。結(jié)果顯示,所獲得的一維光柵結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS空穴注入層,其參數(shù)為:周期700nm,光柵結(jié)構(gòu)高度36.5nm,占空比0.5。圖案化的PEDOT:PSS光電性能測(cè)試結(jié)果顯示,相比標(biāo)準(zhǔn)平膜PEDOT:PSS基底相比，圖案化PEDOT:PSS具有高達(dá)93國(guó)的透過率以及更高的導(dǎo)電性。(2)微納米結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS空穴注入層對(duì)QLED出光性能的影響：以具有一維光柵結(jié)構(gòu)的PEDOT:PSS層作為空穴注入層，構(gòu)筑具有多層圖案化的綠光QLED器件。

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)的引入并不會(huì)改變器件的電致光譜峰位,且相比標(biāo)準(zhǔn)綠色QLED器件,一維圖案化QLED器件的最大亮度由29010cd/m”提升至44150cd/m2,提升52%,最大電流效率由43.45cd/A提升至52.23cd/A,提升20%,外量子效率從11.13%提高到13.45%,提高了21%o同時(shí),一維光柵圖案的QLED器件還在可視角度上具有一定優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步優(yōu)化器件性能,再將二維微納米結(jié)構(gòu)引入綠光QLED器件,與標(biāo)準(zhǔn)QLED器件相比,其最大亮度、電流效率、EQE分別從29010cd/m2、43.45c度A、IL13%提高到37770cd/m2、49.11cd/A與12.21%,且二

7、維圖案化的QLED器件比一維圖案化器件還在可視角度上有更進(jìn)一步的提升及對(duì)不同波長(zhǎng)下的光更好的普適性。(3)利用FDTD對(duì)QLED器件光學(xué)性能模擬分析，分析微納米結(jié)構(gòu)對(duì)QLED出光效率提升的作用機(jī)理:利用時(shí)域有限差分法分別對(duì)單層一維光柵結(jié)構(gòu)的PED0T:PSS層與QLED器件進(jìn)行近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)分析。模擬結(jié)果顯示，單層的PED0T:PSS微納米結(jié)構(gòu)對(duì)光有一定的耦合作用，以此解釋了透過率的增強(qiáng)作用。通過遠(yuǎn)場(chǎng)模擬分析可知，相比標(biāo)準(zhǔn)平膜結(jié)構(gòu),一維、二維光柵結(jié)構(gòu)中光的全反射角明顯更大,整體能量的分布更小,微納米結(jié)構(gòu)的引入提高了的PED0T:PSS層全反射角。而后對(duì)圖案化QLED器件的出光性能進(jìn)行模擬分析,在QLED器件中，光柵結(jié)構(gòu)PED0T:PSS層的引入