紅外量子點光子晶體光發射二極體研究

項目摘要

量子點體現了對電子能級的控制,光子晶體體現了對光子能帶的控制,兩者是目前處於國際研究前沿的人工材料, 我們將兩者有機結合,同時控制電子和光子,研究一種新穎的量子點/有機物複合結構的紅外量子點光子晶體光發射二極體。本項目研究具有優良發光性能的硫化物紅外量子點，並通過對紅外量子點與有機物複合條件的改變，調節載流子遷移率，最佳化電場在各層之間的分配，探索提高發光效率的理論依據和途徑，且在器件研究的基礎上進一步探討量子點的發光特性和激發機制等基本理論問題。同時研究利用光子晶體的機制提升器件的效率，並探索多重反射情況，非輻射複合效應與利用光子晶體共振腔提升自發輻射的Purcell 效應等基本物理問題。本項目方案具有很強的靈活性和可擴展性，探索紅外發光二極體的另一種可能實現方式，原則上通過精心設計光子晶體和不同的量子點材料可實現更多波段的紅外輸出，因此，本項目的研究具有學術價值和實用意義。

結題摘要

本項目將量子點與光子晶體結合，以便實現同時控制電子和光子，為研製新穎的紅外光發射二極體提供新的可能。首先製備了具有紅外光發射的ZnS:Er量子點，ZnS:Er量子點具有紅外寬譜發射，利用成核摻雜方法製備了Er2S3/ZnS核殼結構量子點，獲得了對應Er3+離子4I13/2→4I15/2躍遷1537nm 處紅外光發射。反應溫度的提高有利於Er3+離子從Er2S3核中擴散到外部ZnS層，增強發光強度。通過與傳統共沉澱方法相對比，發光性能提高。用共沉澱法製得了Ho3+，Pr3+，Er3+，Yb3+和Nd3+稀土離子摻雜AgCl納米晶，得到了這些稀土離子的特徵吸收躍遷和特徵紅外發射。此外，採用LSS法製備一系列不同S/Pb比的PbS量子點材料，探討了前驅物比例變化、反應時間、無機殼層對PbS量子點的粒徑以及紅外發光光譜的影響。套用密度泛函理論對 ZnS及其替代式摻雜Er3+離子後的超晶胞、面心結構的PbS進行了模擬計算，純ZnS，PbS為直接帶隙半導體，Er3+離子摻雜之後的體系能帶變窄，導致吸收光譜紅移，而且Er3+離子的4f態形成了一個新的獨立能帶，並計算出各體系的吸收譜，反射譜以及損耗函式譜。研究了ZnS量子點EL器件。改變電壓器件從黃綠光向藍光的移動，由電壓對不同缺陷能級的選擇性激發過程決定；對於不同Zn/S比例的量子點，PL光譜和EL光譜呈現相反的移動趨勢，認為是“擴展缺陷帶”導致。此外，製備了ZnO量子點/SiO2複合材料EL器件，SiO2在器件中不但起到平衡載流子的作用，而且其對ZnO量子點的尺寸及缺陷的影響共同起到對EL光譜的調控作用。開展了將ZnS/SiO2量子點和有機材料複合發光器件的工作機制研究，該器件有效的增加了高能態缺陷能級俘獲電子的幾率，提升了高能波段的發光效率，器件趨於白光發射。製備了單層PbS量子點及MEH-PPV/PbS複合電致發光器件，在MEH-PPV/PbS複合器件中，MEH-PPV作為空穴傳輸材料，使得空穴與電子的複合區域移動到PbS量子點層，並提高了器件的發光效率。製備了Ndq3多層結構紅外電致發光器件，最佳化載流子的注入平衡，實現器件在905、1064、1340nm處光發射。將光子晶體結構引入器件發光層，模擬具有三角，四角和六角晶格的圓形或方形介質柱/空氣孔的光子晶體的能帶圖，獲得光子晶體結構參數對完全帶隙的影響規律，結果顯示以空氣

紅外量子點光子晶體光發射二極體研究

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