滿足駕駛艙夜視兼容的底發(fā)射量子點(diǎn)LED器件

于德魯,翟保才,慎邦威,楊馥瑞,許 鍵，2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2. Department of Engineering Science and Mechanics Penn State University，Pennsylvania 16802，USA)

引言

飛行員在夜間飛行時需配備夜視儀，為保證微光夜視儀的正常使用，飛機(jī)駕駛艙內(nèi)光源、指示燈、顯示屏等一些發(fā)光設(shè)備必須與夜視成像系統(tǒng)(NVIS)相兼容，即夜視兼容。也就是說飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的發(fā)光部件發(fā)出的光不可對夜視成像系統(tǒng)的感應(yīng)波段產(chǎn)生干擾，否則會產(chǎn)生圖像模糊、閃光等嚴(yán)重后果，甚至?xí)挂挂晝x損壞或飛行員眼睛損傷。夜視成像系統(tǒng)的響應(yīng)波段主要是在近紅外區(qū)。發(fā)光二極管(LED)正逐步取代傳統(tǒng)光源，但現(xiàn)有的普通商用外延型LED在近紅外區(qū)有較高能量輻射，會對夜視成像系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，無法直接應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙。為了達(dá)到夜視兼容的目的，現(xiàn)今廣泛使用的方法是在外延型LED表面額外增加一層濾光片來消除多余的能量，但該方法具有成本高、制備工藝復(fù)雜、低出光效率、使用不方便等缺點(diǎn)[1-3]。此外，受材料和工藝限制，普通外延型LED的發(fā)射光譜可控性差。因此迫切需要開發(fā)適用于航空照明領(lǐng)域的新型無濾光片夜視兼容性器件。

量子點(diǎn)(QDs)材料又稱半導(dǎo)體納米晶體，是一種新型發(fā)光材料，通過調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的化學(xué)組分及其尺寸大小與表面形貌，可以制備發(fā)射不同波長的量子點(diǎn)材料，其波長范圍可涵蓋整個紫外可見光紅外(0～3μm)光譜。而且用量子點(diǎn)材料制備的底發(fā)射LED器件的光譜半寬度很窄(小于30nm)，其色純度較高，由于其獨(dú)特的器件特性，其輻射光譜在大于625nm 的波長范圍內(nèi)輻射復(fù)合發(fā)光的光子數(shù)目很少，這部分?jǐn)?shù)量極少的光子，被夜視儀的探測器吸收產(chǎn)生較小的光電流，可以保證夜視儀正常應(yīng)用，減少飛行員由于不良夜視兼容器件帶來的視覺損傷及操作誤判，大幅降低飛行事故的發(fā)生率。隨著量子點(diǎn)材料發(fā)光效率的逐步提升，其壽命也逐步增長，將來量子點(diǎn)LED必會應(yīng)用到駕駛艙照明與顯示器件中，此外，量子點(diǎn)LED制程與有機(jī)LED(OLED)兼容，將來可以實(shí)現(xiàn)柔性顯示，在狹小的駕駛艙內(nèi)部會有廣闊的應(yīng)用空間，因此研究量子點(diǎn)LED的夜視兼容特性具有重大的軍用及民用價(jià)值。

1 量子點(diǎn)材料特點(diǎn)、器件結(jié)構(gòu)與制備

1.1 量子點(diǎn)材料特點(diǎn)

量子點(diǎn)大多是由Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族元素組成的準(zhǔn)零維納米材料，其外觀為極小的點(diǎn)狀物，三維尺寸都在1～10nm，因此具有顯著的量子限域效應(yīng)，其能帶結(jié)構(gòu)既不同于普通晶體的連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)，也不同于分子特性的分立能級結(jié)構(gòu)，而是介于兩者之間，如圖1所示。不同尺寸的量子點(diǎn)能帶分立程度不同，這是由載流子量子限域程度不同造成的，量子點(diǎn)越小，波函數(shù)的能量越大，量子點(diǎn)限域程度越大，因此不同尺寸的量子點(diǎn)材料在復(fù)合發(fā)光時就會發(fā)出不同波長的光[4-5]。量子點(diǎn)發(fā)光材料多為核殼結(jié)構(gòu)，核尺寸較小，表面具有不飽和鍵，殼層(外層的配位體)的作用是使這些鍵飽和，殼層使得量子點(diǎn)在膠體溶液中保持穩(wěn)定，不會從溶液中析出，適合旋涂成膜。

圖1 大尺寸(左)與小尺寸(右)半導(dǎo)體納米晶體的能級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Band gap of the large size (left) and small size (right) of semiconductor nanocrystals

1.2 器件結(jié)構(gòu)

量子點(diǎn)LED基本組成包括陰極、電子傳輸層、發(fā)光層、空穴傳輸層、空穴注入層，陽極。量子點(diǎn)LED各層材料的選取直接影響器件的性能。圖2為本文用于研究的器件結(jié)構(gòu)，是一種典型的底發(fā)射器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用于駕駛艙顯示屏，也可用于駕駛艙的普通照明以及各種操控指示燈、輔助照明燈等。選取銦錫氧化物(ITO)導(dǎo)電玻璃作為基底，ITO導(dǎo)電膜為陽極。聚(3,4-乙撐二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)是一種導(dǎo)電率很高的聚合物，加入該層目的是為了使ITO導(dǎo)電膜的功函數(shù)與空穴傳輸層的功函數(shù)更加匹配，減小界面勢壘，以便于空穴傳輸，同時增加ITO薄膜及空穴傳輸層的附著特性，提供一個平滑表面，降低各膜層表面的針孔或缺陷帶來的非輻射復(fù)合發(fā)生幾率，提高光效。聚三苯胺(Poly-TPD)導(dǎo)電性很好，同時它的能級結(jié)構(gòu)能很好的和PEDOT：PSS銜接，因此十分適合做空穴傳輸層。量子點(diǎn)發(fā)光層為硫化鋅/硒化鎘(CdSe/ZnS)核殼型量子點(diǎn)材料，該層材料決定了器件的發(fā)光波長及顏色。納米氧化鋅(ZnO)是一種新型無機(jī)納米材料，它具有高透明性和高分散性等優(yōu)點(diǎn)，用納米氧化鋅作為器件的電子傳輸層可以提高電子注入及傳輸效率，降低開啟電壓，提高器件亮度[6-8]。2011年，佛羅里達(dá)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院在《自然光子學(xué)》雜志上報(bào)道了利用納米氧化鋅制備的量子點(diǎn)LED器件的亮度高達(dá)56000cd/m2[9]，該亮度足以滿足照明與顯示行業(yè)所要求的亮度。由于量子點(diǎn)LED為電流注入型器件，我們可以通過多個TFT來精確控制其電流，實(shí)現(xiàn)駕駛艙內(nèi)部的夜視兼容照明與顯示。

圖2 本研究所用底發(fā)射量子點(diǎn)LED結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the bottom-emitting quantum dot LED used in research

1.3 器件制備

采用旋涂法制備器件，膜層厚度主要由溶液濃度、溶液粘附性以及勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速決定，故應(yīng)合理調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與溶液濃度。首先將ITO玻璃用丙酮、甲醇及乙醇進(jìn)行兩到三次超聲清洗，并用高純氮?dú)獯蹈?，這樣有利于器件的發(fā)光均勻性。用勻膠機(jī)將PEDOT：PSS(30nm)以2000轉(zhuǎn)/分的速度旋涂在ITO導(dǎo)電膜表面，以150度加熱烘烤15分鐘,該過程可在大氣環(huán)境完成。然后將樣品放入氮?dú)馐痔紫?H2O≤1ppm，O2≤5ppm)。在手套箱中，以1000轉(zhuǎn)/分的速度將poly-TPD氯苯溶液旋涂到樣品表面，并在120度下加熱30分鐘成膜(40nm)。然后在樣品表面將量子點(diǎn)甲苯溶液(5mg/ml)旋涂在樣品表面，并在80度下加熱30分鐘。本文分別選取575nm和608nm的CdSe/ZnS核殼型量子點(diǎn)材料作為黃光和紅光器件的發(fā)光層，對于5mg/ml的量子點(diǎn)甲苯溶液轉(zhuǎn)速以800轉(zhuǎn)/分為宜，此時量子點(diǎn)發(fā)光層為4～8單層，此時發(fā)光效率較高，同時亮度也適合夜視器件，層數(shù)過多將導(dǎo)致開啟電壓升高，層數(shù)過少將使得輻射復(fù)合效率下降。接下來旋涂納米氧化鋅溶液，轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，在80度下加熱30分鐘成膜(25nm)。最后利用真空鍍膜技術(shù)形成陰極(Mg:Ag、Liq:Ag等合金電極)，陰極可以選擇共蒸、混蒸等，可以得到不同光效的器件，本文選用金屬鋁作為陰極。圖3為所制備器件發(fā)光圖。

圖3 底發(fā)射量子點(diǎn)LED發(fā)光圖Fig.3 Luminous figure of bottom-emitting quantum dot LED

2 底發(fā)射量子點(diǎn)LED器件的測試與分析

為了保證駕駛艙可見光不對夜視成像系統(tǒng)干擾，需在夜視系統(tǒng)安裝物鏡濾光片以消除發(fā)光設(shè)備可見光的影響。物鏡濾光片可以分為兩種，分別是A類(Class A)和B類(Class B)，其最大透光波段分別為625～930nm和665～930nm[10]，本文主要針對B類設(shè)備對器件的夜視兼容NR值進(jìn)行了測量。目前并沒有專門針對航空應(yīng)用的照明標(biāo)準(zhǔn)，參考我國軍標(biāo)及美國軍用標(biāo)準(zhǔn)[11,12]，對所制備器件的光譜特性、伏安特性、夜視兼容NR值和夜視兼容NR值進(jìn)行測試和分析。所用測試設(shè)備為OL770-NVS夜視測試系統(tǒng)和吉時利半導(dǎo)體分析儀。OL770-NVS夜視測試系統(tǒng)具有低雜散光、高光譜解析度、高靈敏度、高動態(tài)范圍等特點(diǎn)，運(yùn)用該測試系統(tǒng)測量的結(jié)果誤差較小，可以對兩種器件的夜視兼容NR值進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量。吉時利半導(dǎo)體分析儀具有高精度、快速測量、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，適合半導(dǎo)體光電器件的伏安特性測試。

2.1 器件光譜特性及伏安特性

圖4、圖5分別為所制備黃光(575nm)和紅光(608nm)器件的輻亮度光譜(N(λ))圖，可以發(fā)現(xiàn)兩種器件在不同電壓下，峰值波長均與所選量子點(diǎn)材料的標(biāo)準(zhǔn)波長基本無差別，說明器件中非量子點(diǎn)層只起到電子和空穴傳輸?shù)淖饔?，量子點(diǎn)層決定器件的發(fā)光波長與顏色特性。隨著電壓的不斷增加，光譜曲線不斷上移，在器件的正常工作電壓范圍內(nèi)，兩種器件的近紅外輻射均低于1E-9 W/(sr×cm2×nm)，在近紅外波段有很低的能量輻射，該部分能量對普通夜視儀干擾極小。此外兩種器件的光譜較傳統(tǒng)外延型單色LED窄，單色性好，更適合作為高顯色要求的航空照明領(lǐng)域。使用半導(dǎo)體分析儀可以測得兩種器件的伏安特性曲線，如圖6、圖7所示，黃光(575nm)量子點(diǎn)LED器件的開啟電壓近似為1.6V,紅光(608nm)量子點(diǎn)LED器件的開啟電壓近似為2.0V，符合低電壓控制、低能耗的要求。

圖4 不同電壓下黃光(575nm)量子點(diǎn)LED輻亮度光譜圖(自下而上器件驅(qū)動電壓依次為2.5V、3.0V、3.5V、4.0V)Fig.4 Radiance spectra of yellow (575nm) quantum dot LED under different voltages(The driving voltage of the device are 2.5V、3.0V、3.5V、4.0V respectively from the bottom up)

圖5 不同電壓下紅光(608nm)量子點(diǎn)LED輻亮度光譜圖(自下而上供電電壓依次為4.0V、4.5V、5.0V、5.5V)Fig.5 Radiance spectra of red (608nm) quantum dot LED under different voltages(The driving voltage of the device are 4.0V、4.5V、5.0V、5.5V respectively from the bottom up)

圖6 黃光(575nm)量子點(diǎn)LED伏安特性曲線Fig.6 Volt-ampere characteristic curve of yellow(575nm) quantum dot LED

圖7 紅光(608nm)量子點(diǎn)LED伏安特性曲線Fig.7 Volt-ampere characteristic curve of red(608nm) quantum dot LED

2.2 器件的光譜輻亮度夜視兼容NR值

光譜輻亮度夜視兼容NR值是衡量駕駛艙照明系統(tǒng)夜視兼容特性的最重要指標(biāo)，該值反映了發(fā)光器件與夜視系統(tǒng)響應(yīng)光譜區(qū)域交疊的大小，需要將NR值限定在特定范圍內(nèi)才能保證照明設(shè)備對夜視成像系統(tǒng)具有較小的干擾。NR值的定義如下：

(1)

其中GAorB(λ)為A類或B類設(shè)備的相對NVIS響應(yīng)；N(λ)為器件的輻亮度光譜，其單位為W/(sr×cm2×nm)對應(yīng)圖4與圖5；S為亮度比例因子，即標(biāo)準(zhǔn)亮度值與器件亮度值的比值[13]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對于警告燈、主注意燈、應(yīng)急出口燈等，夜視黃光和紅光的夜視兼容NRB值需滿足NRB≤1.4E-7 W/(sr×cm2)。測量結(jié)果如表1及表2所示，可以發(fā)現(xiàn)不同電壓下兩器件的NRB值均在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，且隨著供電電壓的增加，其NRB值成下降趨勢，其原因是隨著供電電壓的增加，其輻亮度光譜N(λ)不斷增大，同時器件亮度不斷增大，器件亮度的增大會導(dǎo)致亮度比例因子S不斷減小，S的減小對整個NRB值影響超過N(λ)增大對它的影響，導(dǎo)致NRB成下降趨勢。

表1 黃光(575nm)量子點(diǎn)LED的夜視兼容NRB值Table 1 Night vision compatible NRB values of yellow(575nm) quantum dot LED

表2 紅光(608nm)量子點(diǎn)LED的夜視兼容NRB值Table 2 Night vision compatible NRB values of red(608nm) quantum dot LED

2.3 器件色坐標(biāo)

色度是衡量夜視兼容特性的另一個重要指標(biāo)，飛機(jī)駕駛艙內(nèi)各種儀表、指示燈、控制裝置等的照明顏色均需在色度圖的指定區(qū)域，發(fā)光器件色度的好壞直接影響飛行員對操作指令的判斷，因此器件色度需要嚴(yán)格滿足要求。器件的色坐標(biāo)應(yīng)滿足下式

(2)

圖8 1976UCS夜視兼容色度圖Fig.8 Chromaticity diagram of UCS NVIS compatible lighting in 1976

表3 黃光(575nm)量子點(diǎn)LED的色坐標(biāo)Table 3 Color Coordinates of yellow(575nm) quantum dot LED

表4 紅光(608nm)量子點(diǎn)LED的色坐標(biāo)Table 4 Color Coordinates of red (608nm)quantum dot LED

2.4 數(shù)據(jù)分析與總結(jié)

由以上數(shù)據(jù)可知，基于ZnS/CdSe核殼量子點(diǎn)材料作為發(fā)光層、納米氧化鋅作為電子傳輸層、聚合物Poly-TPD作為空穴傳輸層及PEDOT作為空穴注入層制備的底發(fā)射黃光和紅光量子點(diǎn)LED的器件在近紅外區(qū)具有較低的光譜能量輻射，因此器件具有較低的光譜輻亮度夜視兼容NR值，測試表明黃光器件和紅光器件的夜視兼容NR值均在標(biāo)準(zhǔn)NR值要求的范圍內(nèi)。同時由器件的伏安曲線可以發(fā)現(xiàn)器件具有較低的開啟電壓，易控制，功耗低。兩種量子點(diǎn)器件的色坐標(biāo)也均滿足夜視兼容要求。因此本文認(rèn)為該類底發(fā)射量子點(diǎn)LED在無濾光片情況下就可以滿足飛機(jī)駕駛艙夜視兼容的要求，可用于飛機(jī)駕駛艙內(nèi)的警告燈、指示燈、輔助照明燈、顯示屏等，將來有望取代傳統(tǒng)依靠濾光片的夜視兼容照明系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

本文通過對量子點(diǎn)LED的制備、測試與分析，發(fā)現(xiàn)其在航空照明領(lǐng)域有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值。雖然量子點(diǎn)LED的研究已取得重大進(jìn)展，但該類新型LED也存在很多問題待解決。首先量子點(diǎn)LED的外量子效率還是比較低的；其次量子點(diǎn)LED的壽命還不能和傳統(tǒng)LED相比擬。另外，本文用于制備量子點(diǎn)LED的方法僅適合實(shí)驗(yàn)室，并不適合工業(yè)生產(chǎn)，用于量子點(diǎn)發(fā)光器件的各層材料合成技術(shù)也有待進(jìn)一步提高，雖然有些廠家已投入生產(chǎn)，但大都存在合成效率低和合成質(zhì)量不高、耗時長、效率低等問題。接下來的研究重點(diǎn)是進(jìn)一步提高器件的發(fā)光效率和壽命，提高器件穩(wěn)定性，同時改善材料合成方法和器件制備方法，尋找適合工業(yè)化生產(chǎn)的方法。相信隨著科技的不斷進(jìn)步，上述問題會得到根本性的解決，到時量子點(diǎn)LED將不僅用于飛機(jī)駕駛艙的夜視兼容照明系統(tǒng)，也會大量應(yīng)用在其他領(lǐng)域。

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