金等离子体共振效应对蓝光QLED器件性能影响

作     者：刘千 

作者单位：河南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王书杰;阮昊

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：量子点发光二极管 金纳米粒子 LSPR 微纳结构 

摘      要：量子点发光二极管(Quantum Dot Light-emitting Diode,QLED)因具有色彩饱和度高、发光亮度高、发光光谱可调、制造成本低等优点,在显示和照明领域具有极大的应用潜力。通过材料合成和器件结构优化,QLED器件性能已取得很大提升,红光、绿光和蓝光QLED的外量子效率(EQE)分别达到了30.9%、28.7%和21.9%。然而,由于蓝色量子点具有较大的带隙,激子复合所需的能量也相应增加,导致辐射复合率降低。此外,蓝色量子点固有的短波长使得瑞利散射现象更加严重,从而增加光损耗。因此,在效率和稳定性方面,与红光和绿光QLED相比,蓝光QLED仍然存在EQE不高和寿命短的问题。目前,利用表面等离子体(Surface Plasmon,SP)效应来增强局域表面等离子体共振与激子之间的耦合被认为是提高光电器件效率最具吸引力的方法之一。表面等离子体效应是自由电子在金属和介电材料界面处产生的集体震荡引起的局域光电场显著增强效应。局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)可以在特定波长处吸收光子并在几到几十纳米的空间内产生增强的光学电场。在QLED器件中,金属纳米结构通过局部表面等离子体共振局域电磁场与量子点中的激子耦合,从而实现能量转移,提高辐射复合速率,进而提高QLED器件性能。基于此,本论文通过在器件内部引入金纳米粒子(AuNPs),构筑准周期褶皱金纳米结构,利用其表面等离子体共振效应提升激子的辐射复合速率,进一步增强器件内量子效率,同时内部的微纳结构也可以增强波导模式的光提取,进一步提高光输出耦合效率来增强蓝光QLED器件性能。具体而言,本论文的主要工作总结为以下两个部分:(1)具有等离子共振效应金纳米粒子的制备及其在蓝光QLED器件中的应用采用种子合成法制备了金纳米粒子,引入到聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)空穴注入层,构筑蓝光QLED器件。通过精确调控AuNPs粒径、浓度和PVK空穴传输层厚度,来优化器件性能。实验结果表明,在AuNPs粒径为4 nm、掺杂比例为0.3:1、PVK薄膜旋涂转速为3500 rpm的条件下,QLED器件性能最佳。相比较标准器件,AuNPs的引入有效提升了器件亮度和外量子效率,使之分别从13350 cd/m和9.68%提升至16410 cd/m和12.49%,提升了30%和23%。与此同时,电流效率由6.46 cd/A提升至8.22 cd/A,功率效率也由4.05 lm/W提升至5.16lm/W。进一步通过光致发光(PL)、时间分辨光致发光(TR-PL)光谱,单空穴器件(HOD)测试以及时域差分有限模拟(FDTD)分析可知,性能提升的原因主要由于AuNPs与QDs之间的局域表面等离子体共振效应引起的激子辐射复合速率增加以及AuNPs在PEDOT:PSS层增加了空穴注入。(2)利用纳米压印技术构筑金等离子体纳米结构提升蓝光QLED性能研究首先采用了蒸镀和热退火的方式构筑了具有等离子体共振效应的金纳米岛状结构,通过匹配蓝色量子点发射峰为来提高蓝光QLED器件的性能。研究结果表明,岛状金纳米结构存在漏电流增加问题,影响了器件性能的提升。针对上述问题我们通过反应离子刻蚀(RIE)手段制备了准周期性褶皱结构PDMS软模板,然后利用纳米压印技术,构筑了掺杂金纳米粒子图案化的PEDOT:PSS基底。通过精确调控刻蚀功率和PVK空穴传输层厚度,以优化等离子体金纳米结构的器件性能。当刻蚀功率为70 W,PVK薄膜旋涂转速为4000 rpm时,所构筑的蓝光QLED器件性能达到最佳。相比较标准器件,亮度和外量子效率分别从14480 cd/m和10.62%提升至16490 cd/m和15.89%,提升了14%和49%。与此同时,电流效率和功率效率分别达到了6.52 cd/A和10.49 lm/W,提升幅度分别为43%和47%。通过PL、TR-PL、HOD测试分析和FDTD模拟理论验证,性能提升的原因在于表面等离子体共振效应以及内部的微纳结构对波导模式光提取的协同作用。