УЛУЧШЕНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ДЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ БЕЛОГО СВЕТА

Твердотельная технология освещения с использованием светодиодов (LEDs) имеет большие перспективы в решении проблемы с сокращением энергопотребления. LEDs с ярким белым светом составляют значительную долю рынка светодиодов и быстро развиваются для использования в условиях общего освещения, включая автомобильные фары, подсветку дисплея, лампы и светильники. В настоящее время в качестве примеров современных задач можно назвать: повышение внутренней квантовой эффективности светодиодных чипов для источников с множеством квантовых ям, производительности люминесцентных материалов по яркости, эффективности и стабильности, а также упаковка в светильники с максимальным извлечением света. Квантовые точки (КТ) становятся многообещающими конкурентами благодаря своим выгодным оптическим свойствам, таким как хорошая фотостабильность, высокая эффективность люминесценции и поверхностная устойчивость цвета из-за эффекта квантового ограничения. В сочетании с синим или почти ультрафиолетовым светодиодным чипом (УСЧ) высокоэффективные КТ используются в качестве преобразователей с понижением частоты. В последние годы были приложены огромные усилия для повышения общей производительности белых светодиодов, удовлетворяющих практическим требованиям: использование квантовых точек в качестве фотометрических и электрических люминофоров с понижающим преобразованием. С одной стороны, необходимо было заменить поверхность, чтобы избежать окисления КТ и поддерживать высокую светоизлучающую способность. С другой стороны, оптимизировать структуру устройства в активных слоях квантовых точек. Недавно разработали новые нанокомпозитные люминесцентные материалы, добавив дополнительный технологический этап при изготовлении белого светодиодного устройства, где цельный слой GaN в эпитаксиальной тонкопленочной структуре сделан нанопористым (NP-GaN). Полученное гибридное устройство обладает преимуществами улучшенного извлечения света. В области изготовления белых светодиодов с высокими характеристиками проделаны уже достаточные работы, но разработка простой и недорогой альтернативы с лучшими характеристиками люминесценции до сих пор на стадии реализации.

Подробнее рассмотрим стратегию объединения красного, зеленого и синего (RGB) композитов и ультрафиолетовых (УФ) светодиодных чипов для белых светодиодов. При использовании RGB – композитов необходимо добиться активной дисперсии квантовых точек на поверхностях фотонных кристаллов (ФК) и повысить эффективность извлечения света. Фотонные кристаллы имеют широкий исследовательский интерес ко многим оптическим устройствам благодаря их особым свойствам управления светом. В частности, оптическое усиление в ФК рассматривается как усиление, стимулированное излучением фотонов. Например, в равномерно нанесенных поверхностях полистирола из опала наблюдается спонтанное излучение полупроводниковых нанокристаллов, что в основном объясняется уменьшением групповой скорости на границе фотонной полосы. Ученым удалось продемонстрировать 108-кратное усиление флуоресценции от квантовых точек на ФК. Таким образом, улучшение сигналов люминесценции на фотонных кристаллах является мощным инструментом для разработки оптических устройств с высокой производительностью.

Простая и инновационная концепция на основе фотонных кристаллов была использована для подготовки белого света с очень равномерным распределением освещения. Белый квантово-точечный светодиод, состоящий из трех типов синего, зеленого и красного композитов на УСЧ демонстрирует яркое свечение. Важно отметить, что 8-кратное увеличение излучения RGB достигается одновременно с помощью структурной инженерии, а также обеспечивает рациональное понимание работы устройства в направлении практической реализации. Усиление излучения может быть связано с комбинированным действием макропористой структуры и ее периодического расположения, тем более что ее периодически модулированная структура взаимодействует с возбужденным светом. Внешнее возбуждение метода утечки приводит к образованию интенсивных полей, которые служат для эффективного возбуждения большего количества красных, зеленых и синих квантовых точек. Что еще более важно, квантовая эффективность подобранной пленки для ФК может составлять примерно до 60 %. Таким образом, усиление люминесцентного сигнала путем введения фотонных кристаллов в систему белого света может оказать существенное влияние на разработку новых устройств.

Для получения нового вида LED с ярким белым светом используются трехкомпонентные смеси квантовых точек для получения эффективной красной, зеленой и синей люминесценции при одном возбуждении УФ-светом. Сначала применяется УФ-видимая абсорбционная и фотолюминесцентная (ФЛ) спектроскопия трихроматических квантовых точек в растворе хлороформа. В результате наблюдается тенденция поглощения в сторону более длинных волн. Спектры фотолюминесценции трех образцов демонстрируют межполосное излучение с центром при 467 нм, 520 нм и 610 нм соответственно. Эти спектры ФЛ хорошо коррелируют с наблюдаемым излучением RGB и демонстрируют большие стоксовы сдвиги, указывая на то, что в излучении могут доминировать механизмы, связанные с дефектами.

Количество каждой из составляющих КТ контролируется для достижения равных интенсивностей излучения RGB, демонстрируя простой и эффективный метод точной цветопередачи для осветительных устройств. Интенсивность в каждой из областей спектра RGB почти одинакова и создает яркий белый цвет, благодаря трехцветному смешиванию с подходящим соотношением. Примечательно, что на контрольном образце получается эмиссионная пленка белого света с координатами (0,30, 0,32), и она очень близка к координатам чистого белого света (0,33, 0,33). Спектр ФЛ излучающей пленки показывает три полосы излучения, которые хорошо коррелируют с излучением чистых пленок. Это наблюдение демонстрирует, что между тремя КТ нет значительного взаимодействия, когда они легированы в матрице.

Экспериментальные результаты показывают, что интенсивность излучения RGB демонстрирует значительное повышение из-за высокой отражательной способности в УФ-области от структуры фотонных кристаллов, которая имеет полосу задерживания с центром в 366 нм, что соответствует источнику возбуждения. Внедрение ФК в процесс производства белого света улучшило не только дисперсию квантовых точек, но и интенсивность света. По отдельности коэффициенты усиления среди красного, зеленого и синего излучений КТ демонстрируют хорошие показатели в соответствии со спектрами излучения фотолюминесценции. Усовершенствование каждого спектрального компонента от ФК характерно влияют на интенсивность свечения органического светодиода в целом. Следовательно, усиление интенсивности люминесценции на фотонных кристаллах представляет собой осуществимую стратегию улучшения яркости белого света.

Подходы и результаты в настоящем исследовании представляют значительный прогресс в характеристиках устройства белых светодиодов, а также обеспечивают разумные рекомендации для практической реализации высокоэффективных белых светодиодов. Данная технология в настоящее время изучена мало, однако, потребность в органических дисплеях с каждым годом растёт. Это обусловлено их преимуществами, например, такими, как контрастность, большие углы обзора, быстрое время отклика, большой диапазон рабочих температур. Этот факт позволяет заключить, что в скором времени дисплеи, произведенные по OLED технологиям, с высокой вероятностью станут доминантными на рынке электроники массового потребления.

Список литературы:

1. J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown, R. N. Marks, K. Mackay, R. H. Friend, P. L. Burns and A. B. Holmes //Nature. -1990. -№ 347, P. 539–541.
2. Kong X. et al. Structure-property relationship of phosphine oxide based thermally activated delayed fluorescence molecules: First-principles study //Organic Electronics. – 2018. – № 59. – P. 7-14.
3. Zhang W. et al. Revealing the influence of hole injection material's molecular orientation on OLED's performance //Organic Electronics. – 2018. – № 59. – P. 301-305.
4. Афанасьев, А.В. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы: монография / А.В. Афанасьев, В.П. Афанасьев, Г.Ф. Глинский, С.И. Голудина ; под ред. Лучинина В.В., Таирова Ю.М.. — Москва: Физматлит, 2006. — 552 с.
5. Дзидзигури, Э.Л. Процессы получения наночастиц и наноматериалов. Нанотехнологии: учебное пособие / Э.Л. Дзидзигури, Е.Н. Сидорова. — Москва: МИСИС, 2012. — 71 с.