CN102610729A - 一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，由玻璃层、ITO层、纳米微球薄膜与发光材料复合层和金属阴电极叠加构成，在纳米微球薄膜与发光材料复合层中，发光材料填满纳米微球间隙；其制备方法是：首先用数值模拟方法计算发光器件中纳米微球的直径；选取纳米微球在预清理的ITO玻璃上自组装光子晶体结构；在纳米微球薄膜层上填充发光材料，形成纳米微球薄膜与发光材料的复合层，然后蒸镀金属阴电极。本发明的优点是：该光电器件嵌入一层光子晶体结构，利用光子带隙提高垂直方向的出光，减少全内反射，提高发光器件的发光效率，可应用于无机发光器件或有机电致发光器件；该制备方法工艺简单、易于实施、成本低，有利于实现工业化生产。

Description

一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件及其制备方法
技术领域
本发明属于平板发光器件领域，具体涉及一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件及其制备方法。
背景技术
光子晶体是一种介电常数在空间周期性变化的电介质材料，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，带与带之间出现类似于半导体禁带的光子带隙(photonic band gap)，频率位于带隙中的光不能在光子晶体中传播。
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)因其小体积、高效能以及长寿命等特点，日益成为吸引人的传统光源替代品。高亮度LED一直以来都是人们追求的目标。为了达到高亮度，必须提高LED的内量子效率和外量子效率。借助先进的制造工艺可以显著提高内量子效率，而外量子效率却因为全反射的缘故，难以得到有效的提高。光子晶体的周期性结构可以造成布拉格散射，进而减少全反射，同时还可以利用光子晶体的带隙将LED中的导模引导出来，提高外量子效率。因此，如何在LED中利用光子晶体以提高发光效率，已成为国内外研究的热点之一。光子晶体提升电致发光器件发光效率的主要机制有两个：一为利用表面周期性结构造成的布拉格散射，以减少全反射情形的发生；二为利用光子晶体能隙将传导态引导出来以提升外部量子效应。
自组装法是制备光子晶体的一种简单有效的方法，由于自组装光子晶体的晶格常数通常在亚微米量级，是制备可见光及近红外波段光子晶体的一条重要途径。在本发明借助自组装法制备单层纳米微球胶体晶体薄膜，结合数值模拟计算出最佳参数，将按设计制备的胶体晶体薄膜嵌入发光器件中，利用光子晶体薄膜提高发光器件的发光效率。
发明内容
本发明的目的是针对LED普遍存在发光效率低的问题，提供一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件及其制备方法，在该光电器件中嵌入一层光子晶体结构，利用光子带隙提高垂直方向的出光，减少全内反射，提高发光器件的发光效率。
本发明的技术方案：
一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，由玻璃层、ITO层、纳米微球薄膜与发光材料复合层和金属阴电极叠加构成，在纳米微球薄膜与发光材料复合层中，发光材料填满纳米微球间隙并在纳米微球表面形成一层厚度为50-200纳米的发光材料层，ITO层厚度为100-200纳米，纳米微球薄膜与发光材料复合层厚度为100纳米-1微米，金属阴电极的厚度为100-200纳米。
所述纳米微球为二氧化硅微球；发光材料为硫化铅、硫化锌或氧化锌。
所述金属阴电极为铝、银或金。
一种所述嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件的制备方法，步骤如下：
1)利用开源软件MPB计算光子晶体材料的能带结构：首先用数值模拟方法计算出要制备的发光器件中光子结构带隙的位置ωmin-ωmax，其中ωmin为带隙最低位置，ωmax为带隙最高位置，得到带隙位置平均值ωm＝1/2(ωmax-ωmin)，已知器件发射光谱峰值为λ，由公式ωm＝a/λ计算出光子晶体晶格常数a，即纳米微球的直径；
2)选取直径为a的纳米微球在预清理的ITO玻璃上自组装光子晶体结构：自组装法是将纳米微球超声分散在无水乙醇溶液中形成纳米微球的乙醇悬浮液，该悬浮液的质量百分比浓度为0.5-3％，把两块ITO玻璃叠放在一起，在两片ITO玻璃片之间的一端放入一块厚度为0.2毫米的玻璃垫片，然后将制备好的悬浮液注入两ITO玻璃片之间，在恒温30摄氏度的干燥箱中静放2天后，即可在下面的一块ITO玻璃表面得到单层自组装的纳米微球薄膜；
3)电致发光器件发光层和阴电极的制备：在纳米微球薄膜层上采用真空蒸发方法或旋涂方法填充发光材料，形成纳米微球薄膜与发光材料的复合层，然后蒸镀金属阴电极。
本发明的原理与依据：
在光子晶体中，折射率是周期变化的，其周期大小在光波长量级。当光在光子晶体中传播时，受到周期性散射会出现光子禁带，频率落在光子带隙内的光子将不能传播。通过改变纳米微球的粒径大小，光子晶体晶格常数发生变化，带隙发生变化，可以对不同的发光材料进行限制其水平方向出光，使更多的光从垂直基底方向发射出来，提高了器件的出光效率和方向性。
本发明的优点是：该光电器件嵌入一层光子晶体结构，利用光子带隙提高垂直方向的出光，减少全内反射，提高发光器件的发光效率，可应用于无机发光器件或有机电致发光器件；该制备方法工艺简单、易于实施、成本低，有利于实现工业化生产。
附图说明
附图为该发光器件结构示意图。
图中：1.玻璃层  2.ITO层  3.纳米微球薄膜  4.发光材料
5.金属阴电极
具体实施方式
实施例：
一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，如附图所示，由玻璃层1、ITO层2、纳米微球薄膜3与发光材料4复合层和金属阴电极5叠加构成，在纳米微球薄膜3与发光材料4复合层中，纳米微球为二氧化硅微球，发光材料为硫化铅，发光材料4填满纳米微球间隙并在纳米微球表面形成一层厚度为100纳米的发光材料层，ITO层2厚度为180纳米，纳米微球薄膜3与发光材料4复合层厚度为394纳米，金属阴电极5为厚度为150纳米的铝薄膜。
一种所述嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件的制备方法，步骤如下：
1)利用开源软件MPB计算由PbS(折射率为3.912)和SiO2(折射率为1.46)组成的二维光子晶体能带结构，带隙频率范围从到0.175到0.358，得到不同PbS填充比的带隙值见表1，取ωm＝0.267针对PbS的发光峰为1100纳米，选取二氧化硅的直径d为294纳米；
2)把ITO玻璃切成12X30mm的玻璃片，用H2SO4与H2O2的体积比为4∶1的混合溶液在80℃下浸泡10min，然后用去离子水冲洗干净在预清理的ITO玻璃上，利用
Figure BDA0000145616540000031
方法制备直径d为294纳米的单分散二氧化硅纳米微球，微球粒径大小偏差小于5％，方法是将纳米微球超声分散在无水乙醇溶液中形成纳米微球的乙醇悬浮液，该悬浮液的质量百分比浓度为1％，在超声仪中超声，使其均匀分散，得到单分散的悬浮液，把两块ITO玻璃叠放在一起，在两片ITO玻璃片之间的一端放入一块厚度为0.2毫米的玻璃垫片，然后将制备好的悬浮液注入两ITO玻璃片之间，在恒温30摄氏度的干燥箱中静放2天后，即可在下面的一块ITO玻璃表面自组装得到单层自组装的纳米微球薄膜(所述自组装纳米微球单层薄膜采用的是文献T.Yamasaki and T.Tsutsui，″Fabrication and opticalproperties of two-dimensional ordered arrays of silica microspheres，″Japanese Journal of Applied Physics，vol.38，p.5916，1999.所公开的方法)；
3)电致发光器件发光层和阴电极的制备：在纳米微球薄膜层上采用旋涂方法将PbS纳米晶填充到二氧化硅微球间隙内，并在二氧化硅薄膜表面形成50纳米厚的PbS层，然后用电子束蒸发一层厚度为100纳米的金属铝薄膜作为器件阴电极。
该发光器件中硫化铅与二氧化硅复合二维光子晶体带隙值如表1所示。
表1
Figure BDA0000145616540000041
表1中r/a为二维光子晶体介质柱半径与晶格常数之比，ωmin和ωmax分别为带隙频率的最小值和最大值，ωm带隙频率的中间值，Δω/ωm为带隙相对大小。
由上表可知硫化铅与二氧化硅复合光子晶体结构在平行玻璃层方向有光子带隙，利用光子带隙能够提高垂直方向的出光；复合结构降低了发光层的等效折射率，减少光在器件内的全反射，提高发光器件的出光效率。

Claims (4)

1.一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，其特征在于：由玻璃层、ITO层、纳米微球薄膜与发光材料复合层和金属阴电极叠加构成，在纳米微球薄膜与发光材料复合层中，发光材料填满纳米微球间隙并在纳米微球表面形成一层厚度为50-200纳米的发光材料层，ITO层厚度为100-200纳米，纳米微球薄膜与发光材料复合层厚度为100纳米-1微米，金属阴电极的厚度为100-200纳米。
2.根据权利要求1所述嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，其特征在于：所述纳米微球为二氧化硅微球；发光材料为硫化铅、硫化锌或氧化锌。
3.根据权利要求1所述嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，其特征在于：所述金属阴电极为铝、银或金。
4.一种如权利要求1所述嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)利用开源软件MPB计算光子晶体材料的能带结构：首先用数值模拟方法计算出要制备的发光器件中光子结构带隙的位置ωmin-ωmax，其中ωmin为带隙最低位置，ωmax为带隙最高位置，得到带隙位置平均值ωm＝1/2(ωmax-ωmin)，已知器件发射光谱峰值为λ，由公式ωm＝a/λ计算出光子晶体晶格常数a，即纳米微球的直径；
2)选取直径为a的纳米微球在预清理的ITO玻璃上自组装光子晶体结构：自组装法是将纳米微球超声分散在无水乙醇溶液中形成纳米微球的乙醇悬浮液，该悬浮液的质量百分比浓度为0.5-3％，把两块ITO玻璃叠放在一起，在两片ITO玻璃片之间的一端放入一块厚度为0.2毫米的玻璃垫片，然后将制备好的悬浮液注入两ITO玻璃片之间，在恒温30摄氏度的干燥箱中静放2天后，即可在下面的一块ITO玻璃表面得到单层自组装的纳米微球薄膜；
3)电致发光器件发光层和阴电极的制备：在纳米微球薄膜层上采用真空蒸发方法或旋涂方法填充发光材料，形成纳米微球薄膜与发光材料的复合层，然后蒸镀金属阴电极。
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