海胆状金纳米颗粒表面等离激元及在OLED中光提取应用研究

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贵金属纳米颗粒中的自由电子会随着外界电磁场而产生规律性集体振动,这种振动现象被称为等离子基元。而当贵金属纳米颗粒具有复杂的表面形貌时,自由电子的集体振动模式就会变得更为复杂,从而导致了较高的散射截面、多重等离子激元模式、显著增强近场电磁场强度等独特的光电特性,引起了人们广泛的注意与研究兴趣。目前,具有复杂表面形貌的贵金属纳米颗粒在生物分子传感、表面增强拉曼检测、光热转换等不同领域的应用已经得到了大量报道,但其在发光器件中的应用却鲜见研究。同时,作为新一代的发光器件,有机发光二极管(OLED)由于其低功耗、高对比度、可柔性化等优点在照明与显示等领域得到了广泛的商业化应用,具有广阔的应用前景。但由于其器件结构与材料的限制,传统的OLED器件在内量子效率已经可以接近100%的情况下,OLED器件的外量子效率通常只有20%左右。也就是说,生成光子中的绝大部分会被限制在器件内并最终以热能的形式损耗。所以提高OLED器件的外量子效率,即将尽可能多的光子发射到外部空间中,对于提高OLED器件的发光强度与发光效率,降低OLED器件的热损耗就显得尤为重要。因此,本文主要研究内容如下。1.选取海胆状金纳米颗粒作为具有复杂表面形貌的贵金属纳米颗粒代表,利用溶液法制备了不同尺寸与表面形貌的海胆状金纳米颗粒,研究了反应物浓度、反应时间与反应条件对海胆状金纳米颗粒尺寸与形貌的影响。采用经过优化的制备方法,大量快速制备了高质量的直径分别为70 nm,170 nm与450 nm的海胆状金纳米颗粒。2.利用时域有限差分(Finite difference time domain,FDTD)的方法,基于FDTD Solutions软件建立了普适性的海胆状金纳米颗粒的电磁仿真模型,对不同尺寸与表面形貌的海胆状金纳米颗粒在不同频率下的的电磁响应情况进行了仿真。结果表明相对于其他纳米颗粒而言,70 nm的海胆状金纳米颗粒在近场与远场区域对短波长可见光都有着更好的增强效果。3.制备了基于聚合物-银纳米线基板的白光OLED器件,未经掺杂的白光OLED器件具有2.4 V的启亮电压,最高亮度为13000 cd/m~2,最高功率效率为55lm/W,最高电流效率为59 cd/A。4.基于海胆状金纳米颗粒的电磁仿真结果,将70 nm海胆状金纳米颗粒掺杂到柔性基板中,并基于掺杂基板制备了高效率柔性白光OLED器件。结果表明,相对于未掺杂的相同架构的柔性OLED与基于玻璃-ITO基板的OLED器件,掺杂70 nm海胆状金纳米颗粒的OLED器件启亮电压为2.4 V,最高功率效率为95.5lm/W,最高电流效率为139 cd/A,是基础器件的1.73倍与1.49倍。其最高亮度为37478 cd/m~2,是基础器件的2.88倍。在10000 cd/m~2的亮度下,掺杂70 nm海胆状金纳米颗粒的OLED器件的功率效率为56 lm/W,电流效率为126 cd/A,相较于基础器件分别提升了4.1倍与2.73倍。
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