利用纳米压印技术构筑具有高出光效率量子点发光二极管

Colloidal quantum dot light emitting diodes (QLED) have recently received considerable attention due to their superior features of color tunability, high brightness, narrow emission, and compatible with flexible substrates. Due to the low external quantum efficiency of conventional QLED which suffer from the poor light extraction, modified nanoimprint methods are performed for fabrication of large scale efficient light extraction nanostructures in QLED devices. The relationship between the light extraction and the period of PEDOT:PSS which serves as hole injection layers will be mainly investigated, and the working mechanism of nanostructure in the QLED devices are discussed also. Nanoimprint lithography technique is the main method that we used for fabricating periodic nanostructures to increase the external efficiency of QLED devices. The total internal reflection induced by refractive index difference together with the surface plasmon polaritons (SPP) phenomenon will be suppressed by inserting period nanostructure which will improve the out-coupling efficiency of photons in QLED devices. At the same time, theoretical calculation are carried out for analysis the influence of different period nanostructures on the external quantum efficiency of the QLED. We aim to provide not only a perspective technique but also theoretical basis for various light management nanostructures and their potency for fabricating high performance QLED devices.

量子点发光二极管（QLED）在发光与显示领域具有独特的优势和良好的发展前景，针对当前QLED器件出光效率低、外量子效率不高等问题，本项目拟利用纳米压印技术构筑特征尺寸可控、图案结构多样化的大面积周期性微纳结构，基于所设计、构筑的微纳结构，发展具有高出光效率的QLED，进而提高器件的外量子效率。重点研究空穴传输材料PEDOT:PSS周期性微纳结构的特征尺寸与QLED出光波长的对应关系，及其在器件中的工作方式和出光原理。其中纳米压印技术是构筑高出光效率QLED的核心技术，通过压印技术的灵活性构筑特征尺度可控的微纳结构可以有效的抑制波导效应引起的全反射和表面等离子体效应对光子的吸收。同时结合电磁理论计算明确微纳结构的几何参数与光提取效率的关系，为发展具有高出光效率的QLED提供可靠的理论依据和技术支撑。

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。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重要手段。本项目针对量子点发光二极管（QLED）受内部波导模式的影响导致出光效率低下等问题，利用纳米压印技术构筑了一维、二维光栅结构PEDOT:PSS空穴注入层，构建了图案化QLED器件。结合有限时域差分（FDTD）模拟分析，明确了通过抑制波导模式使QLED器件出光性能获得提升方式的可靠性，实验结果显示结构的引入并不会改变器件的电致光谱峰位，且相比标准绿色QLED器件，一维图案化QLED器件的最大亮度由29010cd/m2提升至44150cd/m2，提升52%，最大电流效率由43.45cd/A提升至52.23cd/A，提升20%，外量子效率从11.13%提高到13.45%，提高了21%。更进一步结合反应离子束刻蚀技术构筑了多尺度复合微纳米结构，将其引入绿光 QLED 器件降低了全反射引起的基底模式从而提高了器件的亮度和外量子效率。并通过 FDTD 模拟分析了微纳米结构增强 QLED 器件出光的机理。使得绿色QLED器件EQE由12.29%提升至17.94%, 最大亮度由122400cd/m2 提升至 178700cd/m2，提高了46%, 是目前报道的具有光耦合纳米结构的绿色QLED中性能最好的结果。该结构在提高效率的同时，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。本项目将微纳米结构引入QLED器件内部和外部，拓展了提升QLED器件性能的方法，为该领域的下一步发展提供了新的思路，具有重要的科学意义和应用价值。