一种光场可调的钙钛矿发光二极管

摘要

本发明公开了一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层、阳极、空穴传输层、发射层、电子传输层和阴极，电子传输层中设置有周期性纳米光栅结构，本发明通过在器件中引入纳米结构，可以有效地破坏光在器件中传输的波导模式，将波导模式耦合成基底模式，提高光提取效率；另一方面可以通过调控光栅参数(如宽度)实现出射光发射角度的连续可调，显著的提升了器件的性能。

权利要求

1.一种光场可调的钙钛矿发光二极管，其特征在于：包括自上而下的玻璃层(100)、阳极(200)、空穴传输层(300)、发射层(400)、电子传输层(500)和阴极(600)，所述电子传输层(500)中设置有周期性纳米光栅结构(510)；

所述周期性纳米光栅结构(510)为混合材料周期性纳米光栅结构；

所述混合材料周期性纳米光栅结构为Ag‑ZnO周期性纳米光栅结构；

所述发射层(400)中设置有水平极化模式的光源(410)；

所述光源(410)在发射层(400)中靠近阴极；

所述光源(410)位于所述周期性纳米光栅结构正上方。

说明书

一种光场可调的钙钛矿发光二极管

技术领域

[0001] 本发明涉及光电器件领域，具体涉及一种光场可调的钙钛矿发光二极管。

背景技术

[0002] 金属卤化物钙钛矿发光二极管由于其优异的光电性能在照明和显示中具有广阔的应用前景：如高量子产率、窄发射带宽、高颜色纯度和整个可见光谱的亮度可调谐等特
点，近年来引起了人们的广泛兴趣。目前人们对于钙钛矿发光二极管进行了全面的研究和
控制，包括发光效率、色度和颜色稳定性，但出射光发射方向性却很少受到重视。

[0003] 在实际应用中，实现光场可调的钙钛矿发光二极管具有重要意义。一方面，平面钙钛矿发光二极管出射光有着朗伯辐射模式的特点，即发出的光是均匀的没有特定的方向
性，造成大多数光子损耗在波导模式中，限制了光提取效率；另一方面，控制发射方向性在
生物传感器、可见光通信等方面有着潜在的应用前景。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层、阳极、空穴传输层、发射层、电子传输层和阴极，电子传输层中设置有周期性
纳米光栅结构。

[0005] 通过上述技术方案，在电子传输层中引入纳米光栅结构实现控制钙钛矿发光二极管出射光的方向性。

[0006] 进一步地：周期性纳米光栅结构为介质周期性纳米光栅结构。

[0007] 进一步地：介质周期性纳米光栅结构为ZnO周期性纳米光栅结构。

[0008] 进一步地：周期性纳米光栅结构为金属周期性纳米光栅结构。

[0009] 进一步地：金属周期性纳米光栅结构为Ag周期性纳米光栅结构。

[0010] 进一步地：周期性纳米光栅结构为混合材料周期性纳米光栅结构。

[0011] 进一步地：混合材料周期性纳米光栅结构为Ag‑ZnO周期性纳米光栅结构。

[0012] 进一步地：ZnO周期性纳米光栅结构的参数为：占空比0.4‑0.6，高度30‑50nm。

[0013] 进一步地：发射层中设置有水平极化的光源。

[0014] 进一步地：发射层中设置有垂直极化的光源。

[0015] 进一步地：ZnO周期性纳米光栅结构的调制角度为0‑70°。

[0016] 本发明的技术效果和优点：本发明通过在器件中引入纳米结构，可以有效地破坏光在器件中传输的波导模式，将波导模式耦合成基底模式，提高光提取效率；另一方面可以
通过调控光栅参数(如宽度)实现出射光发射角度的连续可调，显著的提升了器件的性能。

附图说明

[0017] 图1为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管层状结构示意图。

[0018] 图2为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管中光源垂直极化的结构示意图。

[0019] 图3为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管中光源水平极化的结构示意图。

[0020] 图4为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管中光源处于发射层中不同位置结构示意图。

[0021] 图5为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的全反射示意图。

[0022] 图6为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的光源不同垂直位置的光辐射强度示意图。

[0023] 图7为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管中加入周期性介质(ZnO)纳米结构对光辐射强度示意图。

[0024] 图8为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的光源位于不同水平位置对只有银纳米光栅结构钙钛矿发光二极管远场强度影响示意图。

[0025] 图9为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的光源位于不同水平位置对有混合材料光栅(银和氧化锌)钙钛矿发光二极管的远场强度影响示意图。

[0026] 图10为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的不同光栅宽度对应的出射光的角度的示意图。

[0027] 图11为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的光源水平极化方式对光辐射强度的影响示意图。

[0028] 图12为本发明一种实施方式的一种光场可调的钙钛矿发光二极管的光源垂直极化方式对光辐射强度的影响示意图。

[0029] 附图标记说明：100‑玻璃层、200‑阳极、300‑空穴传输层、400‑发射层、410‑光源、500‑电子传输层、510‑周期性光栅结构、600‑阴极。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多
修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好
说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适
于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

[0031] 实施例1

[0032] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0033] 玻璃层200为层厚3720nm的SiO2，阳极为层厚100nm的ITO，空穴传输层为层厚65nm的PEDOT:PSS，发射层为层厚100nm的Perovskite(钙钛矿)，电子传输层为层厚85nm的PCBM，
阴极为层厚600nm的Al。

[0034] 实施例2

[0035] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0036] 周期性纳米光栅结构510为介质周期性纳米光栅结构，介质周期性纳米光栅结构为ZnO周期性纳米光栅结构。

[0037] 实施例3

[0038] 与实施例2不同之处在于，周期性纳米光栅结构510为金属周期性纳米光栅结构，金属周期性纳米光栅结构为Ag周期性纳米光栅结构。

[0039] 实施例4

[0040] 与实施例2和实施例3不同之处在于，周期性纳米光栅结构510为混合材料周期性纳米光栅结构，混合材料周期性纳米光栅结构为Ag‑ZnO周期性纳米光栅结构。

[0041] 实施例5

[0042] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0043] 周期性纳米光栅结构510为介质周期性纳米光栅结构，介质周期性纳米光栅结构为ZnO周期性纳米光栅结构，ZnO周期性纳米光栅结构的参数为：占空比0.4，高度30nm。

[0044] 实施例6

[0045] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0046] 周期性纳米光栅结构510为介质周期性纳米光栅结构，介质周期性纳米光栅结构为ZnO周期性纳米光栅结构，ZnO周期性纳米光栅结构的参数为：占空比0.6，高度50nm。

[0047] 实施例7

[0048] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0049] 周期性纳米光栅结构510为介质周期性纳米光栅结构，介质周期性纳米光栅结构为ZnO周期性纳米光栅结构，ZnO周期性纳米光栅结构的参数为：占空比0.5，高度40nm。

[0050] 实施例8

[0051] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0052] 发射层400中设置有水平极化的光源410。

[0053] 实施例9

[0054] 与实施例7不同之处在于，发射层400中设置有垂直极化的光源410。

[0055] 实施例10

[0056] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，所述电子传输层500中设置有周期性纳米
光栅结构510。

[0057] 发射层设置有位于a,b,c不同位置的光源410，参考图4；

[0058] 钙钛矿发光二极管的性能用远场辐射强度来描述，远场辐射强度的计算公式为：

[0059]

[0060] |Ex|2、|Ey|2、|Ez|2依次为沿着x轴、y轴、z轴三个方向上的电场强度，分别计算三个方向电场强度再取平均值的方法为描述器件内部发射光子的非相干和随机过程。

[0061] 参考图6，光源410位于a，b，c不同位置时光辐射强度的对比；

[0062] 平面钙钛矿发光二极管具有典型的朗伯辐射模式特点，即出射光在各个方向上是均匀的，但由于不同材料层之间折射率不匹配会发生全反射，将逃逸角锥(临界角)限制在
很小的范围内，参考图5，光子以小于临界角的角度入射可以逃离到空气中，大于临界角入
射的光子则以波导模式损耗在器件中，造成辐射远场强度较低。

[0063] 光源垂直位置会影响光子入射角的角度，进而影响出射光辐射强度，结果如图6所示。光源位于发光层较低位置处，多数光子能够以小于临界角的形式逃离出器件，因此光提
取强度较高；光源位于发光层较高位置处时，多数光子以大于临界角的形式入射，发生全反
射，造成辐射强度较低。因此，选择最优的光源位置可以有效地提高辐射强度。从图6中可以
看出，光源位于a位置时为最优垂直发光位置。

[0064] 尽管如此，平面结构的远场辐射强度仍然较低，考虑到这点，我们在器件中引入周期性介质(ZnO)纳米结构，将耦合到波导模式中的光转换为可传播的光，以此提升器件的效
率。结果如图7所示，可以看到，在电子传输层中加入周期性纳米结构可以显著提升光提取
强度。

[0065] 实施例11

[0066] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0067] 图8为光源位于不同水平位置对只有银纳米光栅结构钙钛矿发光二极管远场强度影响示意图，图9为光源位于不同水平位置对有混合材料光栅(银和氧化锌)钙钛矿发光二
极管的远场强度影响示意图；

[0068] 上述可以得出光源位于b位置时为最优水平发光位置。

[0069] 进一步研究光源水平位置对只加入金属(Ag)以及金属‑介质(Ag‑ZnO)混合光栅结构的钙钛矿发光二极管的影响。其结果可以总结如下：光源位于两个光栅中间的强度要低
于位于光栅正上方的强度；同时，对加入混合材料的钙钛矿发光二极管有四个明显的方向
角辐射出来。

[0070] 实施例12

[0071] 一种光场可调的钙钛矿发光二极管，包括自上而下的玻璃层100、阳极200、空穴传输层300、发射层400、电子传输层500和阴极600，电子传输层500中设置有周期性纳米光栅
结构510。

[0072] 在平面钙钛矿发光二极管的电子传输层加入介质(ZnO)纳米光栅结构，ZnO光栅参数如下：占空比0.5，高度：40nm，在150‑200nm范围内调节ZnO光栅宽度。银光栅相同。图10为
不同光栅宽度对应的出射光的角度，可以观察到：介质(ZnO)光栅最大调制角度可达到70°，
可以实现较大范围内的角度调制。

[0073] 实施例13

[0074] 在本实施例中，说明光源极化方式对光辐射强度的影响，参考附图11,附图12；

[0075] 分别对比光源水平和垂直极化模式对不同结构的钙钛矿发光二极管的影响。可以看出，相比较垂直极化模式，光源在水平极化模式下有更多的光辐射出来。因为在水平极化
模式下，有更多的光子可以落入临界角度内；而垂直极化模式下，光子以斜入射的形式被困
在钙钛矿层和衬底中最终损耗在器件中，造成远场辐射强度较低，所以光源水平极化方式
为最优的发光方式。

[0076] 综上所述，本发明提出了三种结构的钙钛矿发光二极管：加入介质(ZnO)、金属(Ag)以及混合材料(Ag‑ZnO)的纳米光栅结构的钙钛矿发光二极管，以实现出射光定向发射
功能。为调制钙钛矿发光二极管出射光角度提供了一种有效的方法，为控制自发辐射开辟
了新的技术可能性。这种改进方法在实现具有独特功能的光电器件应用中具有重要意义。

[0077] 本发明通过在器件中引入纳米结构，可以有效地破坏光在器件中传输的波导模式，将波导模式耦合成基底模式，提高光提取效率；另一方面可以通过调控光栅参数(如宽
度)实现出射光发射角度的连续可调，显著的提升了器件的性能。

[0078] 显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所
获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的
结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。