长春理工大学研究人员通过钙钛矿纳米晶与超构表面旋涂集成实现LED定向出射新策略

　　半导体发光二极管(LED)具有量子效率高、结构紧凑、性能稳定、寿命长等优点，被广泛应用于节能照明及显示领域。传统的基于无机半导体材料作为发光层的LED芯片需要在高温高真空条件下外延生长，相比之下，基于溶液法在室温条件下合成的有机LED(OLEDs)、量子点LED(QLEDs)、钙钛矿LED(PeLEDs)等薄膜材料体系在开发低成本，高效LED光源方面优势显著。然而，薄膜LED发光通常具有朗伯型(Lambertian)光场分布，存在发散角较大，光束方向性差的问题。为解决这一问题， 研究者们围绕LED器件波束整形开展了大量的研究工作，有望促进其在光通讯、定向显示、光子互联等新兴领域应用。目前，改善和控制LED光源方向性的传统方法主要是使用折射型光学元件。然而，折射型光学元件体积笨重，需要外部对准，难以满足小型化光电系统的需要，如VR、AR等近眼显示设备。

　　超构表面是一种由亚波长结构阵列组成的人工材料，具有优异的相位、振幅及偏振控制能力，在超薄型透镜、玻片、偏振转换器、光学全息等领域具有巨大的应用潜力，其独特的二维平面结构，体积小，重量轻，与CMOS工艺兼容等优势在光电器件的片上集成方面被寄予厚望。近年来，研究者在通过集成超构表面改善LED器件光束特性方面取得了一系列重要进展，如Yeonsang Park等人通过直接在QLED顶电极构建狭缝-沟槽型超表面实现偏振与出射方向控制。然而，金属等离激元纳米结构的本征欧姆损耗会降低器件出光效率，制约了实际应用。与之相比，基于介电材料的超表面由于几乎没有吸收损耗，具有转换效率高的优势。因此，利用GaN、GaAs、GaP 等材料制备的电介质型超构表面与无机LEDs的集成方面引起了研究者的极大兴趣，并已经实现了很多成功应用。但是电介质型超表面的制备过程需要经过复杂的微纳加工环节，包括电介质材料沉积、版图加工、掩膜腐蚀、干法刻蚀等。但是，对于钙钛矿这类溶液法合成的化学敏感材料，超构表面集成过程中涉及的复杂工艺流程将使其材料性能严重退化。因此，通过优化超构表面的集成方案，使其适用于溶液法合成的薄膜型LED器件，可以在调控器件发光方向性的同时兼顾材料性能的稳定性，具有重要的实际应用意义。

　　成果简介

　　针对上述溶液法合成薄膜型LED与超构表面集成所面临的问题，本文以钙钛矿纳米晶为代表材料，开发出了一种对溶液加工型材料普遍适用的介质型超表面集成方案。我们采用在可见光区域内具有较高透过率的GaN薄膜制备超透镜，并将超透镜的焦平面设计在超透镜衬底的下表面，然后通过简单的一步旋涂工艺将化学合成的具有核壳结构 FAPbBr3/CsPbBr3钙钛矿纳米晶集成到超透镜衬底下表面。利用这一集成方案，成功实现了钙钛矿纳米晶薄膜发光光束的准直及偏振角度控制。该集成工艺巧妙避免了纳米加工过程中可能导致的材料光学质量退化，可以推广到其它基于溶液法合成的材料，如QLEDs、聚合物LED、PeLEDs，实现对LED器件的光束控制。因此，本文提出的方案紧密结合平面光学光电集成的现实应用，有望促进下一代超紧凑LED器件的开发。此外，这一集成方案与薄膜LED封装技术兼容性较好，有望实现晶圆级薄膜LED阵列和超构表面的集成，促进薄膜LED阵列在先进通信与显示方面的应用。

　　图文导读

　　本文基于团队前期材料合成基础，制备出具有光学稳定性和量子效率较高的核壳结构FAPbBr3/CsPbBr3纳米晶，其光致发光峰值波长位于515nm附近。在此基础上，我们以515nm为入射光源设计并制备了GaN材料超透镜。如图1(a)所示，通过调节GaN 纳米柱半径尺寸，可以实现对透射光相位在0-2π区间调制，并保持80%以上的透过率。我们依据公式(1)的准直器相位分布关系，分别设计了焦距为f=350, 390, 430, 470 μm四种超透镜，并在实验上采用电子束曝光结合ICP干法刻蚀的工艺制备了不同焦距的超透镜，如图1(c)所示。

图1(a) 不同半径GaN纳米柱对515nm入射光的相位延迟和透射率数值计算结果。(b) 超透镜准直器聚焦特性示意图，该示例表示入射的绿色激光可以被聚焦在超透镜衬底下表面。(c) GaN超透镜电镜照片表明加工的器件具有较好的形貌特征。

　　在进行钙钛矿纳米晶与超表面集成之前，我们首先对超透镜本身的聚焦特性进行了表征，图2(a)为组装的测试装置示意图。图2(b)-(d)测试结果显示我们制备的超透镜具有较好的聚焦特性，其中样品S1, S2，S3与设计的焦距基本吻合，样品S4由于背景折射率由蓝宝石衬底变为空气，其测试的焦距数值相比设计值有一定的延长。测试结果显示，样品S3的焦距最接近蓝宝石衬底的实际厚度，因此在蓝宝石衬底表面聚焦效果最好。

图2 (a) 超透镜聚焦特性测试实验示意图，CCD相机安装在精度1μm位移台上用来记录不同传播距离横向光强分布。(b) 测试532nm激光通过超表面后光束强度分布，测得焦距与设计结果吻合较好。(c) 焦平面内光束强度分布半高宽接近衍射极限。(d)532nm激光在超透镜衬底下表面的聚焦光斑照片，其中样品S3聚焦效果最好，焦距最接近蓝宝石衬底的实际厚度。

　　GaN材料具有很好的化学与力学稳定性，通过将GaN超构表面这一优点与钙钛矿溶液旋涂制备工艺相结合，我们开发了一种简单易实现的钙钛矿薄膜与GaN超构表面片上集成工艺，如图3(a)所示。在355nm激光泵浦条件下由图3(c)可见，集成超构表面的钙钛矿样品其发光强度沿传播方向在1mm范围内基本保持不变，而无超构表面的钙钛矿样品其发光强度快速衰减。通过进一步比较在z=1.3mm处不同样品的发光光谱，如图3(d)所示，其中样品S3发光强度最高，说明钙钛矿纳米晶与超表面的实际距离接近430μm。

图3 (a) 钙钛矿纳米晶和GaN介质超构表面的集成工艺流程图。(b) 利用集成超构表面对钙钛矿发光进行片上准直的原理示意图，其中钙钛矿发光层置于超透镜的焦平面，激发光源为355nm纳秒紫外激光，脉冲宽度1.7ns。(c) 有无超构表面情况下，样品在不同传播距离发光强度对比。(d) 在Z=1.3mm处，不同样品中钙钛矿发光光谱图，其中焦距为430μm 的样品S3 发光强度最高。

　　在以上基础上，我们通过进一步提高激发功率得到了钙钛矿发光由自发辐射转变为受激自发辐射(ASE，图4(c)), 光谱中心波长位置由515nm转变为535nm。在此条件下，我们发现超透镜集成的钙钛矿样品仍然具有较好的准直特性，如图4(a)-(b)所示。该结果说明本工作集成的超透镜准直器能够在一定带宽范围内工作，从而在实际应用中能够抵抗温度变化、激发功率波动等外界因素对发光中心波长的干扰。

图4. (a) 有无超表面准直器不同钙钛矿样品ASE强度随传播距离的变化。(b)在Z=0.9mm处采集的远场光斑照片。(c) 在Z=1.3mm处不同钙钛矿样品的发光光谱，其中样品S3的自发辐射与ASE发射强度最高。

　　在上述准直示例中，由于钙钛矿薄膜与超透镜距离较远，远大于波长，二者之间的蓝宝石衬底可以起到光束扩展层的作用，因而位于超透镜焦平面处的钙钛矿可看作为点光源。在此条件下，通过选择性的激发超透镜焦平面上不同位置的钙钛矿发射器，如图5(a)所示，可以在二维空间内实现不同偏振角度的准直光束。利用这一方法，我们在实验上分别生成了0°(图5(b))，5.6°(图5(c))，和7.4°(图5(d))的偏转光束。因此，我们指出通过在超透镜焦平面制作薄膜micro-LEDs阵列，并利用电学手段单独控制不同空间位置上micro-LED开或关，有望实现薄膜LEDs在二维空间内高速的光束偏转，此类LEDs芯片将在空间光通信领域具有潜在的应用价值。

图5 (a) 超透镜辅助实现钙钛矿发光在二维空间内偏转的示意图。(b)-(d) 激发焦平面不同位置上钙钛矿测得的发光远场强度极坐标图。

编辑：严志祥