一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管

本发明涉及光学器件领域，具体涉及一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管结构。

背景技术：

1、量子点(qd)具有可调的光电特性，可用作发光二极管的有源层。典型的量子点是使用有毒的稀有金属，如镉(cd)、铟(in)和铅(pb)，使得其发展和应用有很大的局限性。硅量子点(si qds)因其资源丰度性、生物相容性、与硅基电子产品的兼容性以及其具有优秀的发光特性，成为了一个理想的选择。

2、目前制备出的硅量子点发光二极管(si qd-led)已经具备了高达8.6％的外量子效率(eqe)，但是其半峰全宽较大。为了降低其半峰全宽，人们探索了多种分离方法来缩小si qd尺寸分布，例如，尺寸选择性沉淀和密度梯度超速离心，然而效果有限。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提出一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，可以有效缩小si qd-led的半峰全宽，同时可以解决发光线宽减小导致发光强度变弱的问题。

2、下面将对技术方案进行清楚、完整地描述：

3、一种窄带可调谐硅量子点发光二极管，其包括从下至上依次为金属电极层、含有金属纳米阵列的电子传输层、si qd层、空穴传输层和空穴注入层、ito层、绝缘层、金属凹槽反射层。

4、所述结构将金属电极层与金属凹槽反射层作为反射镜构成一个法布里-珀罗腔，si qd-led产生的光在腔内由于干涉作用，导致发射光谱半峰全宽变窄。

5、所述金属凹槽反射层既要保证能够使腔内光线产生不同的干涉作用，也要允许一小部分发射逸出。

6、进一步，腔内有效长度由腔内材料的折射率和厚度决定。

7、进一步，金属凹槽反射层设置为(35-50nm)，通过调整金属凹槽反射层的厚度可调谐si qd-led的半峰全宽大小。

8、进一步，通过调整腔内有效长度可以调整共振波长，进而调谐si qd-led的发光波长。

9、所述窄带可调谐si qd-led，因金属凹槽反射层结构的透光率较差，导致其出光效率较低，故设计金属纳米阵列增强其发光。

10、所述金属纳米阵列可由圆柱体、长方体等棱柱形的金属纳米结构组成，厚度设置为(20-30nm)。

11、进一步，金属凹槽形状设计与金属纳米阵列一一对应，厚度设计使得整个法布里-珀罗腔内有效长度一致。

12、所述窄带可调谐si qd-led将金属纳米阵列集成在si qd-led的电子传输层中，由于局域表面等离激元效应(lsp)，金属纳米结构表面附近电场会强烈增强。

13、进一步，lsp引起的近场电场增强作用可以使得有源层中的电子和空穴在光子发射时更容易形成激子复合，进而增强硅量子点层发光，提高led器件的发光效率。

14、所述金属电极层、电子传输层、硅量子点层、空穴传输层和空穴注入层、ito层作为si qd-led的主要发光部分。

15、进一步，金属电极层可使用铜、金、银、铂、钯、铱等材料，厚度设置为80-120nm。

16、进一步，电子传输层一般可选用氧化锌(zno)、1,3,5-三(1-苯基-1h-苯并咪唑-2-基)苯(tpbi)等材料，厚度设置为25-40nm。

17、进一步，空穴传输层和空穴注入层可使用氧化镍(nio)、碘化亚铜(cui)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(pedot-pss)等材料，厚度设置为8-25nm。

18、进一步，透明电极层ito的厚度设置为80-120nm。

19、所述绝缘层可使用二氧化硅、聚酯树脂等透明绝缘材料，避免金属凹槽反射层直接与ito透明电极接触，通过改变其长度可以有效改变法布里-珀罗腔的有效长度。

20、将所述si qd-led结构加电压进行测试，结果发现其发射光的半峰全宽可被缩小至20nm-60nm。

21、与现有技术相比，本发明的优点在于：

22、(1)所述的基于金属纳米阵列增强发光的si qd-led可通过设计薄层金属层厚度、绝缘层厚度，调谐发射波长及半峰全宽大小，设计使得si qd-led的发光线宽大大减小。

23、(2)所述的基于金属纳米阵列增强发光的si qd-led可通过设计金属纳米阵列结构，通过局域表面等离激元效应，使得有源层中的电子和空穴在光子发射时更容易形成激子复合，实现对si qd层发光的增强。

技术特征：

1.一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述硅量子点发光二极管具有法布里-珀罗腔结构，并集成有金属纳米阵列，结构从上到下依次为金属电极层、含有金属纳米阵列的电子传输层、硅量子点层、空穴传输层和空穴注入层、ito透明电极层、绝缘层、金属凹槽反射层。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述金属电极层与金属凹槽反射层作为反射镜构成一个法布里-珀罗腔。

3.根据权利要求2所述的金属凹槽反射层，其特征在于：其表面含有与金属纳米阵列一一对应的凹槽结构。

4.根据权利要求3所述的金属纳米阵列，其特征在于：所述阵列结构为圆柱体、长方体等棱柱形的金属纳米结构中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述金属电极、金属纳米阵列、金属凹槽反射层为铜、金、银、铂、钯、铱等中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述绝缘层为二氧化硅、聚酯树脂等透明绝缘材料中的一种，避免金属凹槽反射层直接与ito透明电极接触。

7.根据权利要求1所述的一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述电子传输层为氧化锌(zno)、1,3,5-三(1-苯基-1h-苯并咪唑-2-基)苯(tpbi)等材料中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管，其特征在于：所述空穴传输层和空穴注入层为氧化镍(nio)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(pedot-pss)等材料中的一种。

技术总结
本发明涉及光学器件领域，具体涉及一种基于金属纳米阵列增强发光的窄带可调谐硅量子点发光二极管(Si QD‑LED)结构。所述的Si QD‑LED包括从下至上依次为金属电极层、含有金属纳米阵列的电子传输层、Si QD层、空穴传输层和空穴注入层、ITO层、绝缘层、金属凹槽反射层。金属电极层与金属凹槽反射层作为反射镜构成一个法布里‑珀罗腔，通过干涉作用使得发射光谱半峰全宽变窄，通过设计薄层金属层厚度、绝缘层厚度，调谐发射波长及发光线宽大小。设计金属纳米阵列结构，通过局域表面等离激元效应，使得有源层中的电子和空穴在光子发射时更容易形成激子复合，实现对Si QD层发光的增强，解决发射光谱变窄导致发光强度变弱的问题。这种结构使得Si QD‑LED发光线宽大大减小，有助于提高光谱纯度，在显示技术上有潜在的应用场景。

技术研发人员：郭小伟,郝仟禧,何逸洲,刘永森
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5