利用纳米压印技术构筑高效的QLED器件及其出光性能研究

1、利用纳米压印技术构筑高效的QLED器件及其出光性能研究1994年Alivisatos小组首次将CdSe胶体量子点(QDs)应用到发光二极管，标志着量子点发光二极管(QLED)发展研究的开始。二十多年来,QLED已经取得了长足发展,红、绿、蓝QLED器件的外量子效率分别提升至20.5%、20.0%、18.0%,接近了理论最大值。但这一数值与当下流行的有机发光二极管(OLED)还有一定差距，还不能完全满足商业化的要求。其中问题之一就是光取出问题，由理论分析可知，由于QLED器件的内部全反射、表面等离子激元模式、基板模式等致使大量的光困于器件内部,限制了QLED效率的进一步提升。在OLED器件中,通

2、过引入合适周期的微纳米阵列结构已成为提高外量子效率的一个重要手段，应用的结构如蛾眼结构、乃栅结构、柱状结构和各种一维、二维纳米图案等,其光取出效率均有大幅度提升。根据微纳米结构应用的不同位置,可以大体分为内结构与外结构，它们都对器件的出光效率起到了一定的增强作用，而相比外结构，内结构可以影响器件中多层膜结构,且合适的结构可以同时解决波导模式与表面等离子激元模式对出光的限制,从而使器件的外量子效率得到极大的提升。在传统QLED中，空穴注入层一般采用PEDOT:PSSo其水溶液具有旋涂成膜性好，电导率高,在可见光区透光率高等优点。并且其在大气环境下可稳定存在,相较其它层而言便丁微纳米结构图案化加工

3、,且位于整个器件的最下层,故此本论文选择了图案化的PED0T:PSS来构筑QLED器件，用以研究微纳米结构对QLED器件出光效率的影响。由于PED0T:PSS为水溶液,可塑性较差,无明显玻璃化转变温度,并不符合传统纳米压印技术要求。本论文以纳米压印技术为基础，以少量内三醇作为增塑剂,通过二次压印技术构筑了多种不同图案的PEDOT:PSS薄膜,并将其应用到QLED器件中，用以探究微纳米结构的引入对器件光电特性的影响。最后,利用时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)对器件出光性能进行分析拟合,结合上述实验结果深入分析了微纳米结构的引入对提高QLED器件

4、出光效率的影响的原因。本论文的研究内容分为以下三个部分：(1)利用单一光栅结构Si模板制备多结构PEDOT:PSS图案：采用700nm周期，350nm线宽，130nm沟槽深度的Si材质模板,利用IPS聚合物转移Si模板上的一维光栅结构，随后利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制IPS来得到一维光栅结构的PDMS印章。此外,在对IPS模板进行一次压印后旋转适当角度进行二次压印,通过提高压力与降低温度等手段，以此获得柱状结构的IPS模板,再对其进行PDMS浇筑复制从而得到与之形状相对应的PDMS印章。最后使用得到的两种图案的PDMS柔性模板结合纳米压印技术在PEDOT:PSS上构筑一维、二维光栅结构，

5、作为图案化的空穴注入层应用到QLED器件中。本章对Si模板、IPS聚合物模板、PDMS柔性模板以及压印得到的图案化PEDOT:PSS进行了形貌分析和表征。结果显示,所获得的一维光栅结构的PEDOT:PSS空穴注入层,其参数为:周期700nm,光栅结构高度36.5nm,占空比0.5。图案化的PEDOT:PSS光电性能测试结果显示,相比标准平膜PEDOT:PSS基底相比，图案化PEDOT:PSS具有高达93国的透过率以及更高的导电性。(2)微纳米结构的PEDOT:PSS空穴注入层对QLED出光性能的影响：以具有一维光栅结构的PEDOT:PSS层作为空穴注入层，构筑具有多层图案化的绿光QLED器件。

6、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/m”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%o同时,一维光栅图案的QLED器件还在可视角度上具有一定优势。为进一步优化器件性能,再将二维微纳米结构引入绿光QLED器件,与标准QLED器件相比,其最大亮度、电流效率、EQE分别从29010cd/m2、43.45c度A、IL13%提高到37770cd/m2、49.11cd/A与12.21%,且二

7、维图案化的QLED器件比一维图案化器件还在可视角度上有更进一步的提升及对不同波长下的光更好的普适性。(3)利用FDTD对QLED器件光学性能模拟分析，分析微纳米结构对QLED出光效率提升的作用机理:利用时域有限差分法分别对单层一维光栅结构的PED0T:PSS层与QLED器件进行近场与远场的电磁场分析。模拟结果显示，单层的PED0T:PSS微纳米结构对光有一定的耦合作用，以此解释了透过率的增强作用。通过远场模拟分析可知，相比标准平膜结构,一维、二维光栅结构中光的全反射角明显更大,整体能量的分布更小,微纳米结构的引入提高了的PED0T:PSS层全反射角。而后对图案化QLED器件的出光性能进行模拟分析,在QLED器件中，光栅结构PED0T:PSS层的引入