【摘 要】
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近年来,在光电领域,钙钛矿发光二极管（perovskite light-emitting diodes,PeLEDs）成为热门的研究对象。卤化铅钙钛矿材料具有载流子迁移率高,带隙可调,半高宽窄,发光色纯度高,色域广,制备成本较低,制备工艺简单等特点。但是迄今为止,在内量子效率（internal quantum efficiency,IQE）已经可做到接近100%情况下,PeLED的最高外量子效率（
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近年来,在光电领域,钙钛矿发光二极管（perovskite light-emitting diodes,PeLEDs）成为热门的研究对象。卤化铅钙钛矿材料具有载流子迁移率高,带隙可调,半高宽窄,发光色纯度高,色域广,制备成本较低,制备工艺简单等特点。但是迄今为止,在内量子效率（internal quantum efficiency,IQE）已经可做到接近100%情况下,PeLED的最高外量子效率（external quantum efficiency,EQE）仅达到28.1%,过低的光提取效率严重降低了PeLED的EQE。大量的光子在衬底模式,光波导模式,表面等离子体激元模式,金属吸收模式的作用下,被困在器件内部,导致器件中的光子被重新吸收。被困在器件中的光子转化为热能,热能又会损害器件,造成器件稳定性差,载流子传输性能差,阻水氧性能下降等一系列危害。所以,光提取效率的提升对PeLED器件极为重要。本文从仿真模拟和器件制备两方面展开研究,在模拟仿真的指导下,制备出了高光提取效率的PeLED器件。本文内容如下:考虑到器件内部钙钛矿发光层和空穴传输层（hole transport layer,HTL）之间折射率匹配度较差而造成光提取效率低的问题,采用了折射率高的NiOx代替PEDOT:PSS作为HTL;考虑到ITO和玻璃衬底折射率不匹配的问题,采用高折射率衬底代替玻璃衬底;考虑到高折射率衬底和空气界面光提取效率低,本文考虑在衬底表面引入微结构,由此选用图案化蓝宝石衬底（patterned sapphire substrate,PSS）替代平面玻璃衬底。首先本文设计了多种结构的器件,并对其进行模拟分析。从几何光学的角度考虑,使用蒙特卡罗光线追迹算法对其进行仿真,发现NiOx作为HTL的器件其光提取性能优于PEDOT:PSS作为HTL的器件。而PSS较平面玻璃衬底更有利于将衬底模式中被困住的光导出。而由于各层薄膜的厚度为几十纳米到一百多纳米,所以必须要考虑波动光学的影响。由于时域有限差分法（finite difference time domain method,FDTD）是考虑到波动光学的算法,所以使用FDTD来研究光波导模式中不同结构器件的光提取效率。本文发现,较PEDOT:PSS而言,NiOx作为HTL更有利于将光子从发光层中导出到ITO层;较平面玻璃衬底而言,蓝宝石衬底更有利于将ITO中光子导入到衬底。两种仿真综合考虑得到的最优器件结构是PSS/ITO/NiOx/钙钛矿发光层/TPBi/Ag。然后本文制备了上述仿真模拟中多种结构的电致发光器件实物,并进行光电性能表征,得到的数据与仿真模拟的结果吻合很好。其中NiOx作为HTL,PSS作为衬底的器件其电致发光（electroluminescence,EL）强度和EQE是多种器件中最高的,较PEDOT:PSS为HTL,平面玻璃为衬底的器件,其5m A/cm~2电流密度下EQE提升了82.6%。接着为了在光提取效率提高的同时降低器件制备的成本,本文使用PDMS将PSS表面的微结构转移到了平面玻璃衬底器件上,其EQE也得以提升。最后,为了证明电致发光器件表征结果的可靠性,本文制备了用于光致发光测试的样品并进行测试,验证了上述结果的可靠性。
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