嵌入自组装空气孔光子晶体薄膜的发光器件及其制备方法

摘要

一种嵌入自组装光子晶体薄膜的发光器件，由玻璃层、ITO层、空气孔光子晶体层和金属阴电极叠加构成，其中空气孔光子晶体层由发光材料和填满其中的空气孔构成并在空气孔表面设有发光材料层；其制备方法是：首先用数值模拟方法计算发光器件中空气孔的直径，并选取与空气孔直径相等的聚苯乙烯纳米微球或聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球；在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，经高温除去纳米微球形成空气孔，最后蒸镀金属阴电极。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；该制备方法工艺简单、成本低，有利于实现工业化生产。

说明书

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空气孔光子晶体薄 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 空气孔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：

一种嵌入自组装空气孔光子晶体薄膜的发光器件，由玻璃层、ITO层、空 气孔光子晶体层和金属阴电极叠加构成，其中空气孔光子晶体层由发光材料和填 满其中的空气孔构成并在空气孔表面设有一层厚度为50-200纳米的发光材料 层，ITO层厚度为100-200纳米，空气孔光子晶体层厚度为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空气孔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ω_min-ω_max，其中ω_min为带隙最低 位置，ω_max为带隙最高位置，得到带隙位置平均值ω_m＝1/2(ω_max-ω_min)，已知器 件发射光谱峰值为λ，由公式ω_m＝a/λ计算出光子晶体晶格常数a，即空气孔的直 径，并选取与空气孔直径相等的聚苯乙烯纳米微球或聚甲基丙烯酸甲酯纳米微 球；

2)在预清理的ITO玻璃上自组装光子晶体结构：自组装法是将上述纳米微 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 在250-450℃下保温2-3小时，以除去纳米微球形成空气孔，最后在空气孔光子 晶体层上蒸镀金属阴电极。

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。通过改变空气孔的大小，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空气孔光子晶体结构，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.空气孔    4.发光材料

      5.金属阴电极

具体实施方式

实施例：

一种嵌入自组装空气孔光子晶体薄膜的发光器件，如附图所示，由玻璃层 1、ITO层2、空气孔光子晶体层和金属阴电极5叠加构成，其中空气孔光子晶 体层由发光材料4和填满其中的空气孔3构成并在空气孔表面设有一层厚度为 100纳米的发光材料层，ITO层2厚度为180纳米，空气孔光子晶体层厚度为 540纳米，金属阴电极5的厚度为150纳米。

一种所述嵌入自组装空气孔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)形成的空气孔二维光子 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2，取ω_m＝0.267，针对PbS的发光峰为1100纳米，计算出光子晶体晶格 常数a，即空气孔的直径为440纳米，并选取与空气孔直径相等的聚苯乙烯纳米 微球(PS)；

2)把ITO玻璃切成12×30mm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， 利用方法制备直径d为440纳米的单分散PS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 optical properties 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：在匀胶机上把PbS纳米晶填充到 PS胶体晶体薄膜间隙中，并在PS胶体晶体薄膜表面形成50纳米厚的PbS层， 将长有PS胶体晶体薄膜的玻璃片放置在马弗炉中，以升温速度0.2℃/min升温 至250℃并保温3小时除去PS模板形成空气孔，得到单层PbS阵列材料，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二维光子晶体带隙值如表1所示。

表1

表1中r/a为二维光子晶体介质柱半径与晶格常数之比，ω_min和ω_max分别为 带隙频率的最小值和最大值，ω_m带隙频率的中间值，Δω/ω_m为带隙相对大小。

由上表可知硫化铅空心孔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；空心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。