基于超顺排碳纳米管薄膜的微纳结构制备及其在发光二极管中的应用

各类微纳米结构在光电等相关应用领域已经体现出了巨大的前景。但是,由于此种微纳米结构的制备往往需要光刻、甚至电子束刻蚀等相关制程,其较低的制备效率和较高的制备成本都极大了制约了微纳米结构的大规模应用。

清华大学的李群庆教授研究团队提出了一种以低廉的成本高效制备微纳米结构的方法。利用清华-富士康纳米科技研究中心所制备的超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模,他们实现了在半导体材料砷化镓上面的大面积微纳米结构制备,并证明了这种微纳米结构在发光二极管发光功率增强方面的显著效果,相关实验结果发表在Small上。

基于半导体砷化镓和氮化镓材料的发光二极管已经在生产和生活领域都得到了广泛的应用,日美科学家更是由于在这方面的突出贡献而获得了2014年度的诺贝尔物理学奖。然而,由于相关半导体材料的折射率较高(通常为3.2~3.3),故在其与空气的界面上通常会有全反射发生,这极大的影响了二极管的发光效率。实验证明,在半导体材料表面制备与其发光波长尺度相近的微纳米结构可以有效的破坏其全反射条件,使得发光二极管的光取出效率得到增加,从而提高发光二极管的发光效率。该研究团队提出,利用可以大面积制备的超顺排碳纳米管薄膜作为刻蚀掩模,可以直接在相关的半导体材料上面制备微纳米结构,其结构尺度最小可以达到约100纳米。而在此前的微纳米结构相关制程中,要实现此种尺度的微纳米结构制备,低效且昂贵的电子束刻蚀、聚焦粒子束刻蚀等是必不可少的制备手段。与传统的制备方法相比,利用超顺排碳纳米管作为掩模的相关刻蚀手段,不仅可以实现所要求的小尺度微纳米结构制备,更重要的是可以在宏观尺度上进行均一的大面积制程,这为微纳米结构在光电领域的实际应用开拓了一条重要的道路。利用制备在半导体砷化镓材料上的此种微纳米结构,经过相关的参数优化,该研究团队在砷化镓的半导体发光器件上,实现了78%的发光效率提高。

此前,该研究团队所在实验室在超顺排碳纳米管薄膜体系的制备和应用研究上已经积累了十数年的相关经验,并成功的实现了超顺排碳纳米管薄膜的大尺度商业化制备。利用此种材料所生产的电子触控屏幕等产品已经被国内外多个品牌的移动电话、平板电脑以及笔记本电脑产品所采用。而此次基于这种超顺排碳纳米管薄膜作为掩模的相关技术手段的提出,使得超顺排碳纳米管这种微纳米结构材料体系不再仅仅局限于与碳有关的材料之中,通过不同实验条件的重新组合,此种微纳米结构的制程可以极为方便的进一步拓展到金属、介质以及其他半导体材料的制备过程中去,极大的拓展了这一本已十分优异材料体系的应用前景。

相关研究工作得到了国家科技部973计划(2012CB932301),以及国家自然科学基金(90921012)的大力资助。Untitled