微透镜阵列对红色和绿色量子点发光二极管光提取效率的影响

《Mental Health & Prevention》：Effect of microlens arrays on light extraction efficiency in red and green quantum-dot light-emitting diodes

量子点发光二极管（QLED）通过添加微透镜阵列（MLA）薄膜显著提升光提取效率与外量子效率（绿QLED提升56.97%，红QLED提升21.68%），同时保持色稳定性和光谱特性。光学模拟显示MLA对垂直方向电偶极子发射的增强效果更显著，且MLA密度与微透镜尺寸影响效率提升幅度。

　　量子点发光二极管（QLEDs）因其出色的色彩纯度、稳定性和发射波长的可调性，近年来在显示和照明领域受到了广泛关注。这些特性使得QLEDs成为下一代显示技术的有力候选者，尤其在柔性显示和超薄显示设备方面展现出巨大潜力。然而，尽管QLEDs在内部量子效率方面取得了显著进展，其外部量子效率（EQE）仍然存在瓶颈，限制了其实际应用。为了解决这一问题，研究人员提出了一系列优化方案，其中微透镜阵列（MLA）薄膜因其非侵入性和对内部结构的不干扰性，成为提升QLEDs性能的重要手段。

本研究通过实验与光学模拟相结合的方式，系统地探讨了MLA薄膜对绿色和红色QLEDs效率和色彩稳定性的影响。实验中，绿色和红色QLEDs在5伏电压下的亮度分别提升了1.51倍和1.28倍，同时其外部量子效率分别达到了14.69%和19.87%，效率提升比分别为56.97%和21.68%。值得注意的是，尽管亮度和效率均有显著提升，但绿色和红色QLEDs的效率增强比例存在差异，这提示我们需进一步研究其背后的原因。

通过光学模拟，研究团队发现MLA薄膜对光提取效率（LEE）的提升与发射器偶极子的取向密切相关。模拟结果显示，当偶极子的取向更加垂直时，MLA薄膜对光提取的促进作用更为明显。这表明，MLA不仅能够有效引导内部产生的光进入外部环境，还能通过改变偶极子的发射方向，实现更高的光提取效率。此外，研究还发现，在相同的发射面积内，改变微透镜的数量（通过调整微透镜半径）对LEE增强比例的影响较小，而增加MLA的密度（即微透镜之间的间距减少）则显著提升了光提取效率。这一发现为QLEDs的设计和优化提供了新的思路。

在实验部分，研究人员首先制备了绿色和红色QLEDs，并在它们的表面附上了MLA薄膜。为了确保实验的准确性，所有材料和工艺均在严格的环境中进行，例如氮气手套箱中完成，以防止氧化和水分污染。绿色QLEDs的发射层由CdSe/ZnS量子点构成，而红色QLEDs则使用了更为复杂的CdSe/CdZnSe/ZnSeS量子点结构。ZnMgO纳米颗粒作为电子传输层，通过旋涂法均匀沉积在透明导电氧化物（ITO）基板上。随后，通过控制微透镜的尺寸和排列密度，研究人员在实验中验证了模拟结果的有效性。

为了进一步理解MLA薄膜的作用机制，研究团队还对光提取效率进行了系统分析。他们发现，MLA薄膜通过优化光的传播路径，能够有效减少因全内反射和波导效应导致的光损失。在实验中，绿色和红色QLEDs的光谱在不同视角下保持高度一致，这表明MLA薄膜不仅提升了亮度和效率，还保证了色彩的稳定性。对于绿色QLEDs，其光谱在正常视角到80度偏离正常视角的情况下几乎未发生变化，而红色QLEDs则表现出更好的角度稳定性，其光谱变化幅度更小。这种色彩一致性对于实际应用至关重要，尤其是在显示设备中，能够确保用户在不同角度观看时色彩不会发生明显偏移。

在光学模拟中，研究人员还考察了不同参数对光提取效率的影响。他们发现，当微透镜的高度、半径和排列半径保持一致时，增加微透镜的数量对光提取效率的提升作用有限。然而，当微透镜之间的间距减少（即MLA密度增加）时，光提取效率显著提高。这一结果表明，MLA薄膜的密度是影响光提取效率的关键因素之一。此外，模拟还显示，不同偶极子取向对光提取效率的影响差异较大，垂直取向的偶极子在MLA作用下能够实现更高的光提取效率，这为优化QLEDs的发射层设计提供了重要依据。

本研究的成果不仅展示了MLA薄膜在提升QLEDs性能方面的有效性，还为未来的QLEDs设计和制造提供了理论支持和实践指导。通过合理调整微透镜的尺寸、排列密度和发射器的偶极子取向，可以在不改变QLEDs内部结构的前提下，显著提升其亮度和效率，同时保持色彩的稳定性。这种非侵入式的优化方法避免了传统内部结构改性可能带来的制造难度和成本增加问题，为实现高性能、低成本的QLEDs提供了一种可行的策略。

此外，研究还指出，MLA薄膜的应用不仅限于绿色和红色QLEDs，其原理同样适用于其他颜色的QLEDs。这意味着，这一技术可以被广泛应用于多色显示设备和照明系统中，为未来更复杂的显示技术奠定基础。同时，研究团队还提到，通过进一步优化MLA薄膜的材料和结构，可能实现更高的光提取效率和更宽的视角范围，从而提升QLEDs的整体性能。

总的来说，这项研究为QLEDs的效率提升和色彩稳定性提供了新的解决方案。MLA薄膜作为一种非侵入式的光提取增强手段，能够在不破坏QLEDs原有结构的情况下，有效改善其光学性能。实验和模拟结果均表明，MLA薄膜能够显著提升QLEDs的亮度和外部量子效率，同时确保色彩的一致性。这不仅有助于推动QLEDs在显示和照明领域的应用，也为未来相关技术的开发提供了重要的参考。通过深入研究MLA薄膜的参数优化和设计策略，研究人员有望进一步突破QLEDs的性能瓶颈，使其在实际应用中发挥更大的潜力。