介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)發(fā)光二極管發(fā)光效率的研究.pdf

1、21世紀(jì)以來，能源的消耗量急劇增加，導(dǎo)致能源的嚴(yán)重緊缺。為了滿足人們對(duì)能源的緊急需求，能源的不合理開發(fā)和利用變得越來越嚴(yán)重，從而造成環(huán)境的污染。如何處理好能源利用和環(huán)境保護(hù)問題之間的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展。除了開發(fā)新的清潔能源之外，節(jié)能減排成為了解決環(huán)境問題的一個(gè)重要手段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界大約20％的電能被用來照明，然而傳統(tǒng)的照明設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率很低，導(dǎo)致了大量電能的浪費(fèi)。發(fā)光二極管(light-emi

2、tting diodes，LEDs)作為一種新型的電光轉(zhuǎn)化器件，其效率已經(jīng)超過了200lm/W，白光有機(jī)發(fā)光二極管（organic light emitting diode，OLED）的發(fā)光效率也已經(jīng)超過了100lm/W。與傳統(tǒng)光源相比較，除了具有高的光電轉(zhuǎn)換效率之外，還具有如體積小、壽命長、高色彩品質(zhì)、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，成為了下一代照明器件的理想選擇。
　　LED在短期內(nèi)占據(jù)照明市場不是很容易的，主要是因?yàn)長ED的發(fā)光效率還不是很

3、高。LED的發(fā)光效率主要由其內(nèi)量子效率和光提取效率兩部分決定。隨著半導(dǎo)體加工工藝的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的性能獲得了突破性的進(jìn)展，LED的內(nèi)量子效率接近了理論極限。由于LED內(nèi)存在全內(nèi)反射和菲涅爾反射現(xiàn)象，從而會(huì)使LED的光提取效率很低。因此提高LED的外量子效率成了國內(nèi)外科研單位和企業(yè)研究的熱點(diǎn)，這也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。
　　目前國內(nèi)外增強(qiáng)LED光提取效率的主要方法可以為以下幾類:芯片變形技術(shù)(chipshaping)、背部反射技術(shù)

4、(placingaback-surfacemirror)和表面改造技術(shù)(surfacemodification)。表面改造技術(shù)包括表面粗化和光子晶體技術(shù)，它是現(xiàn)在提高LED出光效率的一種非常有效的主要手段。從目前的研究現(xiàn)狀來看，實(shí)驗(yàn)是LED光提取效率研究的主要手段，但是實(shí)驗(yàn)具有一定的盲目性，因此理論研究顯得尤其重要。目前，通過相關(guān)微納結(jié)構(gòu)技術(shù)確實(shí)增強(qiáng)LED的出光效率，而加入結(jié)構(gòu)后LED內(nèi)部的能量分布又會(huì)如何？這些結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)又會(huì)對(duì)光提

5、取效率造成怎樣的影響？這一系列的問題尚沒有明確的理論指導(dǎo)。除此之外，LED結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化也缺少行之有效的手段，時(shí)域有限差分(Finite difference time domainmethod，F(xiàn)DTD)法作為當(dāng)前流行的一種電磁計(jì)算方法，確實(shí)能在一定程度上為LED的設(shè)計(jì)提供幫助。由于LED的數(shù)值仿真屬于電大尺寸問題，傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法FDTD遇到了巨大的計(jì)算量和冗長的計(jì)算時(shí)間兩大難題，又加上LED結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，這就更加大

6、了其計(jì)算難度。由于圖形處理器加速技術(shù)(如NvidiaCUDA)的出現(xiàn)，這個(gè)難題可以得到一定的解決。
　　本論文選擇納米尺度的介質(zhì)結(jié)構(gòu)作為提高LED的出光效率的研究對(duì)象，以電磁場數(shù)值分析和電磁場理論分析為手段，對(duì)LED的光提取效率等科學(xué)問題進(jìn)行了詳細(xì)地研究。具體的研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　一、對(duì)LED的發(fā)光機(jī)理以及結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，從原理上解釋了LED有源層可以用FDTD中的電偶極子源來等效的方法，并完成了FDTD

7、數(shù)值仿真模型的相關(guān)設(shè)置，并對(duì)GPU加速技術(shù)對(duì)我們的計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行了改造，為下一步的仿真提供理論基礎(chǔ)。
　　二、利用三層平板模型解釋了正裝LED內(nèi)的能量分布情況，解釋了光子晶體增強(qiáng)發(fā)光效率的原理。在最佳光子晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了光子晶體中的缺陷和位置微擾對(duì)光提取效率的影響。
　　三、研究了周期性缺陷光子晶體對(duì)LED光提取效率的影響，對(duì)其介電常數(shù)圖進(jìn)行了傅立葉變換分析，發(fā)現(xiàn)它比完美光子晶體具有更好的方向性，進(jìn)一步對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了

8、優(yōu)化。
　　四、利用多層平板波導(dǎo)完成了對(duì)OLED內(nèi)的能量分布分析，分別利用嵌入式光子晶體和表面光子晶體技術(shù)來提取其低階模和高階模。優(yōu)化了它們的參數(shù)，提出了一種高效率的雙層光子晶體倒置LED模型。
　　五、完成了非晶態(tài)光子晶體的建模工作，繼而用FDTD方法分析了非晶態(tài)光子晶體的安德森局現(xiàn)象，分析了其增強(qiáng)LED光提取效率的原因，并對(duì)這種LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　六、利用經(jīng)典電磁場理論分析了納米線中電偶極子輻射場的分布情況

9、，證明了納米線中的導(dǎo)模在提高納米線LED的光提取效率起著重要的作用。利用FDTD法分析了的納米線的半徑、間距以及高度等各個(gè)參數(shù)對(duì)納米線LED光提取效率的影響。
　　本論文研究的主要內(nèi)容就是設(shè)計(jì)高發(fā)光效率的納米介質(zhì)結(jié)構(gòu)LED模型，在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)的電磁場數(shù)值方法進(jìn)行分析和優(yōu)化，深入探索其增強(qiáng)LED發(fā)光效率的物理機(jī)制，為高性能LED的制造提供了重要的理論依據(jù)。在以下四個(gè)方面做到了創(chuàng)新。
　　一、設(shè)計(jì)了一種高效率的周期性缺陷光子

10、晶體LED模型，提出了一種利用介電常數(shù)的傅立葉變換圖譜（空間頻譜）設(shè)計(jì)光子晶體結(jié)構(gòu)的方法。首先在LED平面波導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上討論了LED中的能量在各種模式中的分布情況，從而給出了光子晶體提取LED內(nèi)部導(dǎo)模的原理。接下來，利用FDTD算分析了光子晶體中的缺陷對(duì)LED的光提取效率的影響，仿真結(jié)果表明，在光子晶體中引入合適的周期性缺陷可以增強(qiáng)LED的光提取效率。通過對(duì)缺陷光子晶體的介電常數(shù)圖的傅立葉變換分析可知，其比完美光子晶體具有更好的方向性

11、，設(shè)計(jì)了一種缺陷光子晶體，它的光提取效率是完美光子晶體的1.6倍。最后證明了光子晶體的微小位置偏差不會(huì)影響LED的光提取效率。
　　二、基于提取OLED（倒裝結(jié)構(gòu)LED）內(nèi)的不同模式，設(shè)計(jì)了一種高效率的雙層光子晶體有機(jī)發(fā)光二極管，并對(duì)其物理機(jī)制給出了詳細(xì)的說明。首先利用多層平板模型分析了OLED內(nèi)部的能量分布情況，提出了分別利用嵌入式光子晶體和表面光子晶體兩種不同方法分別來提取OLED內(nèi)部的低階模和高階模所攜帶的能量。接下來FDT

12、D方法分析了這兩種光子晶體的參數(shù)對(duì)OLED光提取效率的影響，并利用模式理論對(duì)其物理機(jī)制進(jìn)行了分析。最后，給出了一個(gè)雙層光子晶體OLED的最佳模型，其光提取效率提高了大約1.9倍。
　　三、利用FDTD算法和傅立葉變換技術(shù)分析了光在非晶態(tài)光子晶體的安德森局域現(xiàn)象，證明了非晶態(tài)光子晶體中的強(qiáng)局域模可以提高LED的光提取效率，并優(yōu)化了非晶態(tài)LED的結(jié)構(gòu)參數(shù)。首先利用分子動(dòng)力學(xué)的方法模擬出了二維非晶態(tài)光子晶體，隨后利用FDTD研究了非晶態(tài)

13、光子晶體的的各個(gè)參數(shù)對(duì)光局域效果的影響。通過模式理論分析，非晶態(tài)光子晶體的局域模可以使限制在橫向的一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)，從而沿著縱向傳播，來達(dá)到提高LED的發(fā)光效率的目的。在參數(shù)的優(yōu)化的基礎(chǔ)上，得到了一個(gè)可以增強(qiáng)光提取效率4.8倍的LED模型，最后并對(duì)這個(gè)模型的遠(yuǎn)場進(jìn)行了分先比價(jià).
　　四、利用電磁理論結(jié)合FDTD算法分析了有源層位置、納米線的半徑、間距以及高度等各個(gè)參數(shù)對(duì)納米線LED光提取效率的影響，提出了一種利用納米線導(dǎo)模提高LED

14、光提取效率的方法。首先利用經(jīng)典電磁場理論分析了納米線中電偶極子輻射場的分布情況，發(fā)現(xiàn)偶極子的位置對(duì)其輻射場的空間分布有著很大的影響，且納米線中的導(dǎo)模在提高納米線LED的光提取效率起著重要的作用。隨后，利用FDTD法分析了的納米線的半徑、間距以及高度等各個(gè)參數(shù)對(duì)納米線LED光提取效率的影響，最后經(jīng)過優(yōu)化給出了兩種不同量子阱結(jié)構(gòu)的最佳納米線LED模型，并且這種分析方法具有普適性。
　　本論文的選題來源于國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目:金