本发明涉及光电子材料制备领域，尤其涉及一种增强led光提取及色纯度的钙钛矿色转换薄膜结构及其制备方法。
背景技术：
1、micro led技术是一种新兴的显示技术，它具有高亮度、高分辨率、高刷新率、低功耗、长寿命等优点，被认为是下一代显示技术的主要方向。micro-led显示技术的发展备受关注，苹果、三星、索尼、lg、华星光电、京东方等公司纷纷加入开发。同时，许多创业公司也相继成立。自2014年苹果收购luxvue以来，该技术进入快速发展阶段，2018年以后更是进入爆发期。国内终端厂和芯片厂也加入了micro-led阵营。未来，micro-led有望成为未来显示市场的主流技术之一。micro led显示技术的核心是微米级的led芯片，这些芯片可以单独控制，并且可以组合成高分辨率的显示屏。与传统的液晶显示和有机发光二极管显示相比，micro led显示具有更高的亮度和更低的功耗，同时还可以实现更高的刷新率和更长的寿命，这使得它在ar和vr等应用中具有巨大的潜力。
2、目前，micro led技术还面临着一些问题，其中最重要的问题之一是彩色化问题。由于micro led芯片非常小，所以在制造过程中很难实现三原色的均匀分布。此外，红色和绿色的micro led芯片还面临着注入效率低和发光效率低的问题，这导致红色和绿色的亮度和饱和度不够。为了解决这些问题，研究人员开始探索使用钙钛矿量子点来实现microled的彩色化。虽然钙钛矿量子点可以解决micro led的彩色化问题，但是还面临着转换效率低和色纯度低的问题；目前的荧光粉材料颗粒尺寸也比较大，易造成沉积不均匀问题；此外，钙钛矿量子点的表面容易受到空气中的湿度和氧气的影响，会导致光电转换效率下降。
3、另外，led的光提取效率一直是制约其性能和应用的一个关键问题。其中，全内反射是限制led光提取效率的主要因素之一。全内反射是指光线从高折射率材料(如gan)射入低折射率材料(如空气)时，光线被反射回高折射率材料中的现象。在基于gan的led中，由于gan的折射率高，光线在进入空气中时会发生全内反射，导致大量的光线无法从led中逸出，从而降低了led的光提取效率。除了全内反射外，菲涅耳反射还可能在折射率失配较大的光学界面处造成较大的提取损耗。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种增强led光提取及色纯度的色转换薄膜结构及其制备方法以解决传统led彩色化过程中转换效率低和色纯度低的问题；同时，解决led光提取效率低的难题；纳米结构也增加了远场强度，增强光谱范围内的光提取，显著提高外量子效率(eqe)；此外，色转换层不仅可以将led点阵发出的光转换成其它颜色的光，同时，色转换层是基于米氏共振的介质超表面，可以部分反射下方led发出的光，led点阵发出的光在介质超表面和反射层之间来回反射，最终逃逸出的光经过色转换呈现出色彩进入人的眼睛，光的多次反射提高了显示色纯度；钙钛矿薄膜因具有聚合物封装，还具有良好的光稳定性和耐久性，可以大大延长led的使用寿命；类似的策略可以应用于基于量子点或钙钛矿的下一代led，从而促进led在照明、显示、通信等领域的应用。
2、技术方案：一种增强led光提取及色纯度的色转换薄膜结构，包括由下而上依次设置反射层、led点阵、色转换层和透明基板，其中，所述反射层与led点阵相连，所述透明基板覆盖在色转换层上，所述色转换层是由若干个精确设计相互独立的纳米结构组成的介质超表面，每个纳米结构内是色转换材料构成。
3、其中，
4、所述反射层为金、银、铝、镍、铜及它们的复合材料作为金属反射电极；或是分布式布拉格反射(dbr)结构作为led的反射电极。
5、所述色转换层是基于米氏共振的介质超表面，与反射层构成法布里珀罗(fp)腔，从而实现激光，通过调整腔体厚度，可以改变fp腔的共振频率，从而实现激光的调谐。
6、所述若干个精确设计相互独立的纳米结构从几十到几百纳米大小，可以通过电子束光刻、反应离子刻蚀、激光加工、三维直接写入工艺直接加工材料；或是通过纳米结构模板与原子层沉积、磁控溅射、电子束蒸发结合形成图案；或是通过纳米压印形成图案。
7、所述纳米结构的形状为块状，鳍状，球状，棒状，网状，圆柱，磁盘，光栅中的任意一种。
8、所述色转换材料是由钙钛矿与聚合物构成，其中，钙钛矿为具有通式abx3的金属卤化物钙钛矿，其中a位阳离子为ma+(ch3nh3+)、fa+([(nh2)2ch]+)或cs+；b位为pb2+，或使用不同的金属离子sr2+、zn2+、ni2+、mn2+、cd2+、sn2+、co2+、eu3+、er3+、yb3+、bi3+部分或完全取代pb2+；x＝cl、br或i。
9、所述聚合物包括聚乙烯醇(pva)、聚丙烯酰胺(paam)、聚乙烯酸(paa)、聚丙烯酸(paac)、聚丙烯酸丙烯酰胺共聚物(paac-co-paam)、聚乙烯醇-聚乙二醇(pva-peg)聚醚胺(pea)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚苯乙烯(ps)、聚碳酸酯(pc)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、醋酸纤维素(ca)和聚氯乙烯(pvc)、聚苯-丁二烯-苯乙烯(sbs)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、无机(全氢)聚硅氮烷phps正丁醚中的任意一种。
10、所述透明基板为石英基板、玻璃基板、聚酰亚胺基板、聚碳酸酯基板、聚甲基丙烯酸甲酯基板、聚酯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酰胺薄膜中的任意一种。
11、led的制备及色转换层纳米结构的制备。
12、所述色转换层纳米结构的制备可以采用纳米压印形成图案，具体包括：图案化模具的制备：使用聚合物膜来复制单层纳米结构阵列母版；钙钛矿前体溶液与聚合物混合：通过在溶剂中溶解0.1～2.0mmol csx(x＝cl、br、i)和0.1～2.0mmol pbx2获得0.01～0.5mmol/ml的钙钛矿前体溶液，并与0.1～2g聚合物粉末混合；形成纳米图案：钙钛矿前体溶液混合物旋涂到透明衬底上，通过压印工艺进行图案化。
13、所述色转换层纳米结构的制备可以采用纳米压印形成图案，具体包括：图案化模具的制备：使用聚合物膜来复制单层纳米结构阵列母版；钙钛矿前体溶液与聚合物混合：通过在溶剂中溶解0.1～2.0mmol csx(x＝cl、br、i)和0.1～2.0mmol pbx2获得0.01～0.5mmol/ml的钙钛矿前体溶液，并与0.1～2g聚合物粉末混合；形成纳米图案：钙钛矿前体溶液混合物旋涂到透明衬底上，通过压印工艺进行图案化。
14、所述色转换层纳米结构的制备可以采用电子束光刻和电感耦合等离子体蚀刻制造钙钛矿纳米结构，具体包括：钙钛矿薄膜的制备：首先，通过在溶剂中溶解0.1～2.0mmolcsx(x＝cl、br、i)和0.1～2.0mmol pbx2获得0.01～0.5mmol/ml的钙钛矿前体溶液，在透明衬底上旋涂15～120s：将电子束抗蚀剂旋涂到钙钛矿薄膜上，电子束写入器进行图案化；显影后，产生纳米图案；然后，用离子源蚀刻样品；钙钛矿纳米结构的化学掺杂使用化学气相沉积(mocvd)完成；最后，将炉子自然冷却至室温。
15、有益效果：从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的一种增强led光提取及色纯度的色转换薄膜结构及其制备方法，与传统led彩色化相比，具备多个有益效果：
16、1.钙钛矿纳米晶(pencs)是一种新型的发光材料，它具有高量子效率(pl qy)和很好的稳定性。通过调整钙钛矿纳米晶的粒径和卤族元素比例，可以实现不同颜色的发光；因此，钙钛矿纳米晶薄膜可以用于实现led的彩色化，从而解决led彩色化问题；此外，钙钛矿量子点的发光颜色具有很好的色纯度，可以提高led显示的色彩还原度；
17、2.聚合物基质封装具有紧密的分子链可以有效地包裹钙钛矿纳米晶(pencs)，保护pencs不受环境的影响，除了稳定性之外，聚合物还可以钝化pencs，从而提高光致发光量子产(pl qy)；
18、3.可以通过改变介质超表面的纳米结构尺寸(即形状、大小、密度等)的方式，进而实现谐振峰的调控，最终达到在可见光谱范围内任意波长可调的效果；
19、4.表面纳米结构能够增加led的色纯度，主要是因为它可以提高led的光提取效率和提高led内部发光材料的光利用率；具体来说，色转换层是基于米氏共振的介质超表面，可以部分反射下方led发出的光，led点阵发出的光在介质超表面和反射层之间来回反射，最终逃逸出的光经过色转换呈现出色彩进入人的眼睛，光的多次反射提高了显示色纯度；纳米结构也增加了远场强度，增强光谱范围内的光提取，显著提高外量子效率(eqe)；
20、5.表面纳米结构能够解决全内反射问题，表面纳米结构是一种非常有效的方法，而光学折射率匹配层是另一种提高led光提取效率的方法；通过在led和空气之间插入一层折射率匹配层，即透明衬底，可以降低光线在进入空气时的反射，从而提高led的光提取效率；可以有效地提高led的光提取效率，从而促进led在照明、显示、通信等领域的应用；
21、6.相对于相同厚度的无图案薄膜，带有钙钛矿纳米结构的光致发光(pl)信号更高；发射材料的体积减少了数倍，展现出高透明度，为多功能钙钛矿基光电器件铺平了道路。