有机发光二极管（OLED）及其他层状纳米结构的发光性质与设计研究

论文摘要

基于纳米结构的光子辐射器件在先进显示、照明、成像、生物标记追踪、环境监控和超高分辨率近场显微等众多领域都有很好的应用,因而成为当前光电子领域研究的重要课题之一。在本论文中,我们详细研究各类层状纳米结构的发光性质,这些纳米结构包括薄膜有机发光二级管（OLED）,纳米线、纳米管、纳米同轴线以及核壳结构纳米颗粒。同时,我们讨论和设计这些纳米结构,利用微共振腔效应和等离子体共振效应来控制光辐射,实现辐射增强或抑制或空间重新分布。在OLED方面,我们提出适用于任意多层薄膜与材料和多个发光区的OLED器件的严格光学理论分析模型和快速计算方法,详细讨论OLED器件中的微共振腔效应和Purcell效应。论文分别从理论上和实验上研究OLED器件的内量子效率和激发态寿命之间的关系以及它们随器件结构变化的情况,说明在一定条件下可以通过测量激发态寿命间接测定OLED器件的内量子效率。针对顶出射器件一般存在视角小、光色随角度畸变严重的问题,我们通过利用内量子效率的增强和对微共振腔的优化设计,获得具有较高效率、低光色角度畸变、亮度随角度变化曲线优于朗伯体发光的顶出射器件结构。在OLED方面,本文还研究了基于蓝光材料（m-ADN）与红光掺杂材料（m-ADN:DCM（2%wt））构成的叠堆结构的电压光色可调OLED,分析并实验验证了采用适当电荷阻挡层扩展光颜色的调节范围。在一维半导体纳米结构光辐射器件方面,包括半导体纳米线、纳米管和纳米同轴线等,我们提出适用于柱坐标系下多层同轴结构光辐射的精确高效的电磁理论分析模型。光辐射的量子效率以及辐射在侧面远场辐射与波导传播辐射的分配情况随结构参数的变化,它们作为一维纳米结构的基本性质,在本文中得到了较为详细的研究与探讨。我们发现一维纳米结构的光致发光与激励光的偏振状态相关,这与实验报道相符。核壳结构纳米颗粒的荧光辐射在生物应用方面具有重要的意义。对这一部分,在本论文中我们首先从理论上研究发光元在一般球状多层结构中的辐射性质,并讨论具有金属壳层的核壳结构纳米颗粒的等离子共振效应和它对自发辐射的影响。然后我们提出氧化硅/金属的双壳层结构来增强荧光团的辐射效率,以染料分子团（TRITC）为例优化设计双壳层结构,正确利用等离子共振效应,获得比氧化硅壳单层包覆结构高将近5倍的荧光效率。同时我们发现由于表面等离子体共振条件对金属壳层周围的折射率非常敏感,双壳层结构纳米颗粒的荧光光谱和效率对周围介质折射率敏感。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光辐射在纳米尺度
• 1.2 OLED及层状纳米结构中的光辐射
• 1.2.1 OLED研究及发展概述
• 1.2.2 纳米线、纳米同轴线、纳米管的光辐射
• 1.2.3 核壳结构纳米颗粒的荧光辐射
• 1.3 纳米结构光辐射的物理基础
• 1.4 论文内容安排、内在联系及主要创新点
• 第二章 OLED器件的电磁理论建模
• 2.1 引言
• 2.2 OLED基础
• 2.2.1 有机电致发光的物理机制
• 2.2.2 发光材料与器件结构
• 2.2.3 OLED器件基本性能参数
• 2.3 OLED电磁理论分析模型与快速精确算法实现
• 2.3.1 辐射跃迁、非辐射跃迁和Purcell效应
• 2.3.2 平面层状OLED发光的电磁理论分析
• 2.3.3 基于复平面路径积分的精确快速算法及数值实现
• 2.4 OLED理论分析模型验证与实例分析
• 2.4.1 典型结构OLED微腔效应与厚衬底处理
• 2.4.2 叠层结构OLED器件的建模与结构优化
• 2.5 本章小结
• 第三章 OLED器件的微腔效应与优化设计
• 3.1 引言
• 3.2 强、弱微腔器件的发光性能比较
• 3.2.1 强、弱微腔器件Purcell效应比较
• 3.2.2 强、弱微腔器件的光谱与视角
• 3.3 微腔器件中激发态寿命与内量子效率的关联
• 3.3.1 理论分析
• 3.3.2 实验结果与讨论分析
• 3.4 顶出射OLED器件的优化设计
• 3.4.1 顶出射器件的优势及存在的问题
• 3.4.2 高效率宽视角顶出射器件的优化方案
• 3.4.3 全局优化算法——基因算法
• 3.4.4 顶出射器件的优化结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 光色电压可调OLED器件制作与分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于M-ADN主体与DCM客体掺杂的光色电压可调OLED
• 4.2.1 材料、器件结构及工作机理
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 电压可调OLED器件的EL光谱
• 4.2.4 实验结果讨论与理论定量分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 柱状多层纳米结构的荧光辐射特性
• 5.1 引言
• 5.2 柱状多层结构自发辐射的理论模型
• 5.2.1 偶极子辐射场的柱面波展开
• 5.2.2 柱状多层结构中辐射场的柱面波展开
• 5.2.3 柱状多层结构中辐射场的总辐射功率
• 5.2.4 侧面辐射功率的计算
• 5.3 ZNO纳米线与纳米同轴线的荧光效率分析
• 5.3.1 ZnO纳米线中发光元的自发辐射特性
• 2纳米同轴线中发光元的自发辐射特性'>5.3.2 ZnO/SiO₂纳米同轴线中发光元的自发辐射特性
• 5.4 半导体纳米线与纳米管的光致发光特性
• 5.4.1 激励光柱状多层结构散射的理论分析
• 5.4.2 ZnO纳米线/纳米管光致发光的特性
• 5.5 本章小结
• 本章附录 5-A
• 本章附录 5-B
• 第六章 核壳多层结构纳米颗粒的荧光辐射特性
• 6.1 引言
• 6.2 球状多层结构中发光元自发辐射的电磁理论
• 6.2.1 电偶极子矢量球面波展开分析
• 6.2.2 偶极子总辐射功率与远程辐射功率的计算
• 6.3 发光元在球状多层结构中的辐射抑制或增强效应
• 6.3.1 纳米介质球的自发辐射抑制效应
• 6.3.2 金属壳层的自发辐射共振增强效应
• 6.4 双壳层包裹的纳米荧光团的辐射性质优化
• 6.4.1 双壳层结构的荧光辐射等离子共振
• 6.4.2 基于双壳层结构的高效率荧光辐射
• 6.4.3 双壳层结构纳米颗粒荧光辐射的环境敏感特性
• 6.5 本章小结
• 本章附录 6-A
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表的学术论文
• 致谢