CN116744718A - 一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法 - Google Patents

一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法，光源结构包括：衬底、底层电极、电子传输层、钙钛矿层、孔传输层、透明导电层和超晶胞层；所述衬底作为所述光源结构的基底，所述衬底为固体基底；所述底层电极设置于所述衬底上方；所述电子传输层设置于所述底层电极上方；所述钙钛矿层设置于所述电子传输层上方；所述孔传输层设置于所述钙钛矿层上方；所述透明导电层设置于所述孔传输层上方；所述超晶胞层设置于所述透明导电层上方。本申请利用超晶胞所形成的高Q值腔，对高速钙钛矿光源产生光源的光场进行调制，提高发光效率、稳定性和单色性以及拓宽光谱范围，优化了高速钙钛矿光源的光质量。

Description

一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法
技术领域
本申请属于新型半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法。
背景技术
高速钙钛矿光源是一种新型的发光材料，具有高亮度、高效率和长寿命等特点。钙钛矿是一类具有钙钛矿晶体结构的化合物，常见的钙钛矿光源材料包括铅、镉、锡、钙等元素的化合物。
高速钙钛矿光源通常用于光电子器件和照明领域，如高速钙钛矿光源照明、显示屏、太阳能电池等。与传统的照明材料相比，高速钙钛矿光源具有更高的发光效率和更宽的发光光谱范围，可以实现更好的色彩再现性和能源利用效率。
此外，高速钙钛矿光源还具有较高的稳定性和耐久性，能够在长时间使用中保持较高的亮度和色彩品质。
但是，常规的高速钙钛矿光源存在着局限性。尽管高速钙钛矿光源具有较好的调控性能，可以通过材料组成、晶体结构和外部激励等因素调节其发光特性，但在某些方面仍存在一定的局限性。例如，在调节发光波长时，可能受到材料稳定性、能带结构和能量转移等因素的限制。由于钙钛矿材料的发光机制和能带结构，它们可能会产生一定的发光色散或宽带发光，导致色纯度不如传统的狭谱发光材料。且目前常用的钙钛矿材料主要在可见光范围内(约400-700纳米)具有较高的吸收和发射效率，而对于其他波长范围的光源，其效率可能较低。
发明内容
本申请旨在解决现有技术的不足，提出一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构及其制备方法，通过在高速钙钛矿光源的顶层设置超晶格层，实现对光场的精确调制，从而显著提高高速钙钛矿光源的发光效率、稳定性和单色性以及拓宽光谱范围。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，包括：衬底、底层电极、电子传输层、钙钛矿层、孔传输层、透明导电层和超晶胞层；
所述衬底作为所述光源结构的基底，所述衬底为固体基底；
所述底层电极设置于所述衬底上方；
所述电子传输层设置于所述底层电极上方；
所述钙钛矿层设置于所述电子传输层上方；
所述孔传输层设置于所述钙钛矿层上方；
所述透明导电层设置于所述孔传输层上方；
所述超晶胞层设置于所述透明导电层上方。
优选的，所述底层电极采用金属电极，所述底层电极用于电子和空穴的注入。
优选的，所述电子传输层的材料采用二氧化钛或氧化锡，所述电子传输层用于提供电子传输和注入的通道。
优选的，所述钙钛矿层的材料采用钙钛矿晶体，所述钙钛矿层用于吸收光能并发光。
优选的，所述孔传输层的材料采用聚合物或有机小分子材料，所述孔传输层用于传输正空穴。
优选的，所述透明导电层的材料采用氧化锡或氧化铟锡，所述透明导电层用于提供电流输入和电子传输。
优选的，所述超晶胞层由两套相同的二维拓扑光子晶体材料进行堆叠构成。
本申请还提供了一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构的制备方法，用于制备上述任一项的光源结构，包括以下步骤：
固定所述衬底；
利用物理蒸发法或磁控溅射法在所述衬底上沉积形成金属电极层，得到所述底层电极；
利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在所述底层电极上沉积形成所述电子传输层；
利用溶液法或涂覆法在所述电子传输层上形成所述钙钛矿层；
利用溶液法、物理蒸发法或磁控溅射法在所述钙钛矿层上形成所述孔传输层；
利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在所述孔传输层上形成所述透明导电层；
利用纳米压印技术制备所述超晶胞层，并将所述超晶胞层放置在所述透明导电层上。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
(1)本申请利用超晶胞所形成的高Q值腔，对高速钙钛矿光源产生光源的光场进行调制，提高发光效率、稳定性和单色性以及拓宽光谱范围，优化了高速钙钛矿光源的光质量；
(2)超晶胞的设计允许控制光的传播路径和相位，以最大限度地优化光的输出特性；通过调整超晶胞的材料属性，我们能够实现光场的强化或衰减；
(3)通过调整转角角度和孔径大小，可以精确地调节光的色彩和频率，从而实现单色性的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的超晶胞层俯视图；
图2为本申请实施例的光源结构侧视图；
附图标记说明：
101、超晶胞层；102、透明导电层；103、孔传输层；104、钙钛矿层；105、电子传输层；106、底层电极；107、衬底。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
在本实施例中，如图1、图2所示，一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，包括：衬底107、底层电极106、电子传输层105、钙钛矿层104、孔传输层103、透明导电层102和超晶胞层101；
衬底107作为光源结构的基底，衬底107为固体基底，用于提供支撑和稳定性。在本实施例中，使用玻璃或者硅片作为基底材料。
底层电极106设置于衬底107上方；底层电极106采用金属电极，底层电极106用于电子和空穴的注入。在本实施例中，底层电极106与透明导电层102用于注入电子和空穴以形成电流通路，通常采用金属电极，如铝(Al)或钙(Ca)，用于电子和空穴的注入。底层金属电极(如铝或钙)的厚度在几十到几百纳米之间。
电子传输层105设置于底层电极106上方；电子传输层105的材料采用二氧化钛(TiO2)或氧化锡(SnO2)，电子传输层105用于提供电子传输和注入的通道。在本实施例中，电子传输层105的厚度通常在几十到几百纳米之间，具体取决于所使用的材料和电子传输的需求。
钙钛矿层104设置于电子传输层105上方；钙钛矿层104的材料采用钙钛矿晶体，钙钛矿层104用于吸收光能并发光。在本实施例中，钙钛矿层104的厚度通常在几十到几百纳米之间，具体取决于所选的钙钛矿材料和应用要求。
孔传输层103设置于钙钛矿层104上方；孔传输层103的材料采用聚合物或有机小分子材料，孔传输层103用于传输正空穴。在本实施例中，使用的材料为聚合物(3,4-乙烯二氧噻吩)。孔传输层103的厚度通常在几十到几百纳米之间，具体取决于所使用的材料和电子传输的需求。
透明导电层102设置于孔传输层103上方；透明导电层102的材料采用氧化锡(SnO2)或氧化铟锡(ITO)，透明导电层102用于提供电流输入和电子传输。透明导电层102的厚度通常在几十到几百纳米之间。
超晶胞层101设置于透明导电层102上方；超晶胞层101由两套相同的二维拓扑光子晶体材料进行堆叠构成。超晶胞层101可以影响高速钙钛矿光源产生的光场，因此在制备时需要根据具体要求设计其孔径大小和魔角角度等。
实施例二
在本实施例中，提供了一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构的制备方法，上述的光源结构，包括以下步骤：
S1.准备高质量衬底107，如硅，并固定衬底107。
S2.利用物理蒸发法或磁控溅射法在衬底107上沉积形成金属电极层，得到底层电极106。
在本实施例中，底层电极106实现可通过物理蒸发法，在真空环境下，通过热蒸发金属源(如铝或钙)将金属沉积在基底表面。或是利用磁控溅射法，将金属靶材(如铝或钙)放置在真空腔室中，通过离子轰击或电子轰击使靶材释放金属原子，然后在基底上沉积形成金属电极层，得到底层电极106。
S3.利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在底层电极106上沉积形成电子传输层105。
在本实施例中，电子传输层105实现可通过物理蒸发法，在真空环境下，通过热蒸发或电子束蒸发金属氧化物靶材(如二氧化钛、氧化锌)来沉积电子传输层105。控制蒸发速率和温度，使金属氧化物以适当的厚度均匀沉积在基底上。或利用磁控溅射法，将金属氧化物靶材放置在真空腔室中，通过离子轰击或电子轰击使靶材释放金属氧化物原子，并在基底上沉积形成电子传输层105。或是通过溶液法，将有机电子传输材料(如聚合物)溶解在合适的溶剂中，制备成溶液，通过旋涂、喷涂、滚涂等方法将溶液涂布在基底上，并通过溶剂挥发或热处理使其形成均匀的电子传输层105。
S4.利用溶液法或涂覆法在电子传输层105上形成钙钛矿层104。
在本实施例中，钙钛矿层104是高速钙钛矿光源的核心层，其制备是关键的步骤之一。溶液法(旋涂法)，这是一种常用的制备钙钛矿薄膜的方法。将钙钛矿前体材料(如钙钛矿前体盐或钙钛矿前体配合物)溶解在适当的溶剂中，并加入表面活性剂和其他添加剂以控制溶液的性质和稳定性，将钙钛矿前体溶液滴在基底上，并使用旋涂机将溶液旋转均匀，旋涂的速度和时间需要根据具体材料和要求进行优化，将旋涂后的基底放入烧结炉或热板上，在一定温度下进行热处理，使钙钛矿前体转化为结晶的钙钛矿薄膜。或是利用涂覆法，将钙钛矿前体溶液或胶体直接涂布在基底上，并通过热处理或其他方法使其转化为钙钛矿薄膜，得到钙钛矿层104。
S5.利用溶液法、物理蒸发法或磁控溅射法在钙钛矿层104上形成孔传输层103。
在本实施例中，孔传输层103的实现，可通过溶液法，将有机空穴传输材料(如聚合物)溶解在适当的溶剂中，制备成溶液，通过旋涂、喷涂、滚涂等方法将溶液涂布在基底上，并通过溶剂挥发或热处理使其形成均匀的空穴传输层。或利用物理蒸发，在真空环境下，通过热蒸发或电子束蒸发无机空穴传输材料(如金属卤化物)来沉积空穴传输层，控制蒸发速率和温度，使无机材料以适当的厚度均匀沉积在基底上。亦或是通过磁控溅射法，将无机空穴传输材料靶材放置在真空腔室中，通过离子轰击或电子轰击使靶材释放无机材料原子，并在基底上沉积形成空穴传输层。
S6.利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在孔传输层103上形成透明导电层102。
在本实施例中，透明导电层102可通过物理蒸发法，在真空环境下，通过热蒸发或电子束蒸发透明导电氧化物靶材(如氧化锡、氧化铟锡)来沉积透明导电层102，控制蒸发速率和温度，使氧化物以适当的厚度均匀沉积在基底上。或是通过磁控溅射，将透明导电氧化物靶材放置在真空腔室中，通过离子轰击或电子轰击使靶材释放透明导电氧化物原子，并在基底上沉积形成透明导电层102。也可以利用溶液法，将导电聚合物溶解在适当的溶剂中，制备成溶液，通过旋涂、喷涂、滚涂等方法将溶液涂布在基底上，并通过溶剂挥发或热处理使其形成透明导电层102。常用的导电聚合物包括聚和聚苯胺(PANI)等。
S7.利用纳米压印技术制备超晶胞层101，并将超晶胞层101放置在透明导电层102上。
在本实施例中，超晶胞层101通过外延生长或直接键合的方式得到，然后采用纳米压印技术制备出超晶胞结构，超晶胞是两套光子晶体模式之间的耦合，通过将两套光子晶体扭转一定角度后叠加形成，利用纳米压印技术将两套偏转的光子晶体晶格做在同一层材料形成超晶格，由于布洛赫波函数在垂直于传播方向重合，耦合增强，实现光场的强局域化。光子晶体结构孔的形状还可以为椭圆形、三角形、正六边形、不规则图形或多个图形的组合，根据所形成通孔的平面形状不同，所选择的纳米压印的模板可压印的图形的形状不同。只需要根据所要形成的通孔的图案选择合适的纳米压印模板即可，而且纳米压印模板的种类很多，可以很容易地满足不同的图案需求。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，包括：衬底、底层电极、电子传输层、钙钛矿层、孔传输层、透明导电层和超晶胞层；
所述衬底作为所述光源结构的基底，所述衬底为固体基底；
所述底层电极设置于所述衬底上方；
所述电子传输层设置于所述底层电极上方；
所述钙钛矿层设置于所述电子传输层上方；
所述孔传输层设置于所述钙钛矿层上方；
所述透明导电层设置于所述孔传输层上方；
所述超晶胞层设置于所述透明导电层上方。
2.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述底层电极采用金属电极，所述底层电极用于电子和空穴的注入。
3.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述电子传输层的材料采用二氧化钛或氧化锡，所述电子传输层用于提供电子传输和注入的通道。
4.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述钙钛矿层的材料采用钙钛矿晶体，所述钙钛矿层用于吸收光能并发光。
5.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述孔传输层的材料采用聚合物或有机小分子材料，所述孔传输层用于传输正空穴。
6.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述透明导电层的材料采用氧化锡或氧化铟锡，所述透明导电层用于提供电流输入和电子传输。
7.根据权利要求1所述一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构，其特征在于，所述超晶胞层由两套相同的二维拓扑光子晶体材料进行堆叠构成。
8.一种基于超晶胞的新型高速钙钛矿光源结构的制备方法，用于制备权利要求1-7任一项的光源结构，其特征在于，包括以下步骤：
固定所述衬底；
利用物理蒸发法或磁控溅射法在所述衬底上沉积形成金属电极层，得到所述底层电极；
利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在所述底层电极上沉积形成所述电子传输层；
利用溶液法或涂覆法在所述电子传输层上形成所述钙钛矿层；
利用溶液法、物理蒸发法或磁控溅射法在所述钙钛矿层上形成所述孔传输层；
利用物理蒸发法、磁控溅射法或溶液法在所述孔传输层上形成所述透明导电层；
利用纳米压印技术制备所述超晶胞层，并将所述超晶胞层放置在所述透明导电层上。
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