关键词：
量子点发光二极管
光提取
微透镜阵列
Mie散射
摘要：
量子点发光二极管(Quantum dot light-emitting diode,QLED)具有更窄的半峰宽和更好色彩还原度,有望成为下一代显示和照明技术,目前大量研究一直致力于进一步提高QLED的性能,以达到商业化应用的目标。虽然量子点的荧光量子产率(Photo-luminescence quantum yield,PL QY)已超过90%,但大多数的QLED外量子效率(External quantum efficiency,EQE)局限在20%～30%之间,这主要是由于光在不同折射率界面上发生的全反射、吸收以及金属电极表面等离子体极化模式的损耗而导致有限的外耦合效率。各种微纳尺度的光提取结构被引入到器件外部或内部来提高光提取效率。相比于内结构,外结构不会因破坏器件内部功能层而使器件的漏电流增大,且制作方法简单,成本低廉。作为外结构的微透镜阵列(Micro-lens arrays,MLAs)可以增大玻璃空气界面处的全反射角,从而有效提高器件的亮度及EQE,但同时会使器件存在角度依赖性,这对于QLED的显示与照明领域的应用是不利的;散射层作为一种非周期性外结构,可以有效改善器件出光的角度依赖,同时由于散射粒子的随机分布使器件在不同角度出光更加均匀。我们将结合MLAs与散射粒子做复合结构在提高QLED器件性能的同时抑制其角度依赖。本论文首先利用自组装水滴压印法制备MLAs模板,通过转印得到所需MLAs形貌,并结合Mie散射粒子共同作用于QLED器件基底作为光耦合外结构。利用Mie散射理论设计出适合绿光波长的散射粒子尺寸,并分别对不同参数膜层进行光学表征。同时测试标准玻璃基底器件、MLAs基底器件及具有散射粒子的散射型MLAs基底器件光电性能,探究MLAs膜层对器件角度特性的影响及散射型复合膜层对于器件角度依赖的改善,并测试器件基底表面的温度以确定外结构对于器件散热的影响。最后通过物理建模验证不同外结构膜层对于QLED器件光学性能的影响。具体研究内容主要分为以下三个部分:(1)自组装水滴压印法制备具有Si O散射粒子的微透镜阵列利用自组装水滴压印法可使得聚苯乙烯(Polystyrene,PS)基板在70%湿度的大气环境中得到所需凹型模板,并通过浇筑、纳米压印及转印技术得到单元直径在6～9μm之间的MLAs膜层。借助Mie理论计算可知,534 nm绿光经直径为400 nm、600 nm、800 nm微球散射后,三者中600 nm微球的前向散射较强;在MLAs膜层分别掺入不同浓度及不同直径的Si O微球,对比膜层的透过率及雾度以验证散射粒子的光学作用。通过实验测试可知在MLAs膜层中以15 wt%的比例掺入600 nm直径Si O微球可提高膜层总透过率及前向散射强度。(2)不同外结构绿色QLED器件的构筑及性能分析将最优光学性能的外结构膜层应用于绿色QLED器件,MLAs外结构器件最大亮度从标准器件的297930.8 cd/m提升到332307.5 cd/m,最大EQE从标准器件的19.84%提升到21.55%;在MLAs中掺入散射粒子的复合外结构器件最大亮度达到381962.6 cd/m,是标准器件的1.28倍,最大EQE达到24.21%,是标准器件的1.22倍。MLAs膜层虽然提高了器件的光提取效率,但在一定程度上恶化了器件的角度依赖性,散射粒子的引入在一定程度上改善了该结构的角度依赖,减少了不同角度下的色散,使得器件的出光更趋近于朗伯发射,并且由于Mie散射带来的前向散射增强作用,进一步提高了复合外结构器件整体的亮度及外量子效率。当外结构附着于工作器件基底上时,可以一定程度上提高基底处的散热能力,减少焦耳热的积累,提高器件的工作寿命。(3)仿真建模分析外结构对绿色QLED器件出光性能的影响为了验证外结构提升器件出光效率的作用,利用时域有限差分法对应的仿真软件FDTD Solutions对器件物理结构进行建模,定性分析偶极子光源经散射粒子散射后的电磁场分布,对比标准结构器件、MLAs外结构器件及具有Si O散射粒子的MLAs复合外结构器件三者在基底与空气界面处的电磁场强度分布。仿真结果表明MLAs外结构膜层能够降低玻璃基底光线的全反射,经Si O微球散射后,器件基底外电磁场分布更加均匀,有利于全角度下电磁场增强。通过蒙特卡罗光线追迹法对应的Light Tools软件定量追踪50万条随机从光源层出射的光线,球形空间接收器的仿真结果表明复合外结构具有宽视角的光强分布,且在基底平面接收器中接收到419898条光线,是标准结构器件229382条光线的近2倍。
