KR102105846B1 - 나노구조 재료 구조물 및 방법 - Google Patents

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트레포나스 3세 피터
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케이. 파크 종
하워드 케빈
데슈판데 키쇼리
트레버 이워스
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롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈 엘엘씨
다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

일 측면에서, 하나 이상의 발광 나노구조 재료를 내부에 포함하는 유전층을 포함하는 광자 결정을 포함하는 구조물이 제공된다. 추가 측면에서, 유전층 내부의 상이한 깊이에서 발광 나노구조 재료의 제1 및 제2 세트를 포함하는 유전층을 포함하는 구조물이 제공된다.

Description

나노구조 재료 구조물 및 방법{NANOSTRUCTURE MATERIAL STRUCTURES AND METHODS}
분야
일 측면에서, 그 안에 하나 이상의 발광 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 포함하는 광자 결정을 포함하는 구조물을 이제 제공한다. 추가 측면에서, 유전층 내부의 상이한 깊이에서 발광 나노구조 재료의 제1 및 제2 세트를 포함하는 유전층을 포함하는 구조물이 제공된다.
배경
가정, 작업장 및 소비자 제품에서 사용된 조명 및 전시 기술을 위하여 넓은 범위의 적용-특이적 필요성이 있다. 조명 및 전시 적용은 그의 출력의 색상 순도 및 광학적 특성의 맞추어진 제어가 필요하다. 예를 들어, 광원의 지향성 또는 확산성은 다양한 조명 조건 하에서 사용자 안락에 영향을 미치고 전시로부터 광 출력의 방향성은 시야각에 영향을 미쳐, 그룹에 사생활 또는 접근성을 허용한다.
양자점을 함유하는 광자-방출 장치는 특이적 전반 스펙트럼 출력을 조작하기 위해 조합될 수 있는 그의 높은 양자 효율, 광표백의 결여 및 많은 방출 파장의 이용가능성 때문에 조명 및 비디오 전시에서 적용에 대한 중요성을 얻고 있다.
개선된 양자점 장치를 포함하여, 개선된 발광 구조물을 갖는 것이 요망될 것이다.
요약
신규 발광 구조물 및 장치, 및 상기 구조물 및 장치의 제조 방법을 이제 제공한다.
일 측면에서, 그 안에 하나 이상의 발광 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 포함하는 광자 결정을 포함하는 구조물을 이제 제공한다. 바람직한 측면에서, 광자 결정은 유효한 콘트라스트를 제공할 수 있는 굴절률 재료의 상이함 (예를 들어 상대적으로 높음 및 낮음)의 주기적 변화를 포함한다.
추가 측면에서, 그 안에 발광 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 포함하는 구조물이 제공되고, 여기서 발광 나노구조 재료의 제1 세트는 유전층의 제1 깊이 레벨에 배치되고, 발광 나노구조 재료의 제2 세트는 제1 깊이 레벨과 상이한 유전층의 제2 깊이 레벨에 배치된다. 특정 구현예에서, 방출 파장은 발광 나노구조 재료의 제1 세트와 제2 세트 사이에서 적합하게 상이할 수 있다. 따라서, 특정 구현예에서, 발광 나노구조 재료의 제1 및 제2 세트는 상이한 조성물이다. 특정 바람직한 구현예에서, 나노구조 재료의 제1 및 제2 세트는 발광 나노구조 재료가 없거나 또는 적어도 실질적으로 없는 유전층의 두께 (예를 들어 1 nm, 2 nm, 3 nm, 4 nm, 5 nm 이상 두께)만큼 분리된다. 개재하는 유전 재료는 발광 나노구조 재료가 적어도 실질적으로 없고 여기에서 개재하는 유전 재료는 발광 나노구조 재료의 제1 세트 또는 발광 나노구조 재료의 제2 세트를 함유하는 인접한 영역의 동일한 용적에 존재하는 나노구조 재료보다 주어진 용적에서 적어도 25, 50, 75 또는 100 중량 퍼센트 적은 나노구조 재료를 함유한다.
바람직한 시스템에서, 나노구조 재료는 유전 재료 층 내부에 포매된다. 본원에서 언급된 바와 같이, 나노구조 재료의 각 표면이 상이한 유전 재료와 접촉되는 경우 나노구조 재료는 유전층 내부에 포매된 것으로 고려될 수 있다.
광자 결정의 유전층 내부에 나노구조 재료의 원하는 배치를 포함하는 방법을 또한 제공한다. 특히, 본 발명의 시스템 및 방법은, 광자 결정 구조물의 광학적 정상파 모드의 공간적 용적 내부를 포함하여, 높은 굴절률 유전 필름 층의 한정된 단면에 나노구조 재료 예컨대 양자점의 편입을 제공한다. 광자 결정의 유전층 내부에 나노구조 재료 예컨대 양자점의 표적화된 위치화에서, 나노구조 재료는 그의 전자 바닥 상태로부터 여기 동안 더 큰 전기장을 경험할 수 있을 뿐만 아니라 광자 결정 슬래브 표면에 정상인 방향으로 그의 방출의 추출을 가장 효율적으로 가능하게 한다.
특히, 비교적 평면 구조물 (광자 결정 아님)에 비해 유전층 내부에 포매된 양자점으로 광자 결정의 양자점 방출에서 실질적인 증가 (3 내지 5 배의 증가 포함)를 찾아내었다. 비정상 출력 각에 대한 더욱더 큰 방출 향상 (예를 들어, 최대 8 배수 증가)는 비교적 평면 구조물 (광자 결정 아님)에 비해 포매된 양자점으로 본 발명의 광자 결정에 대하여 관측되고 있다.
광자 결정 시스템을 제공하기 위하여 본 발명의 바람직한 방법은 일반적으로 하나 이상의 유전 재료 내에 배치된 하나 이상의 발광 나노구조 재료를 갖는 층을 기재 표면상에 적용하는 것을 포함한다. 일 바람직한 측면에서, 1) 유전 재료는 기재상에 적용되고, 2) 하나 이상의 나노구조 재료는 적용된 유전 재료상에 적용되고, 그리고 3) 유전 재료는 적용된 나노구조 재료 위에 적용된다.
본 발명의 특히 바람직한 방법은 유전 필름상에 하나 이상의 나노구조 재료의 침지 또는 액침 코팅 적용을 포함한다. 나노구조 재료의 유체 조성물의 상기 침지 또는 액침 코팅이 나노구조 재료의 단일층-규모 층을 제공할 수 있음을 찾아내었다.
다양한 구조물 및 장치는 단일 차원, 2차원 및 다른 다중-차원 광자 결정 구조물을 포함하여 본 발명에 따라 제공될 수 있다. 예를 들어, 일 측면에서, 본 발명의 구조물은 유전층 (예를 들어 금속 옥사이드)를 포함하는 광자 결정을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 유전층 내부에서 하나 이상의 발광 나노구조 재료가 포매되고, 그리고 광자 결정은 제1 방향에서 제1 주기성 및 제1 방향과 상이한 제2 방향에서 제2 주기성 2)를 포함하는 제1 영역 1)을 포함한다.
본원에서 제공된 구조물 및 장치는 또한 함께 내포된 다중 구조물, 예를 들어 수직으로 적층된 및/또는 측면으로 인터리브된 동일 또는 상이한 광자 결정을 포함할 수 있는 복수의 구조물을 포함할 수 있다. 상기 구조물, 장치 또는 광자 결정 시스템은 적합하게 함께 내포된 다중 광자 결정 구조물을 포함할 수 있고, 각 광자 결정 구조물은 유전층 내부에 하나 이상의 발광 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 포함한다. 상기 구조물, 장치 또는 광자 결정 시스템은 적합하게 하나 이상의 유전층 내부의 상이한 깊이에서 상이한 나노구조 재료를 제공할 수 있다.
특정 측면에서, 본 발명의 바람직한 구조물은 대조 구조물에 비해 증가된, 예를 들어 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 퍼센트 이상만큼 증가된 출력 방출을 제공할 수 있다. 대조 구조물은 본 발명의 구조물에 비교할만하고 그리고 본 발명의 구조물과 동일한 유전층 및 발광 나노구조 재료를 함유하지만, 대조 구조물은 평면 구조물 (광자 결정 아님)일 것이다.
바람직한 방법에서, 중합성 층은, 광자 결정용 주기적 패턴을 포함하여, 장치 특징을 한정하기 위해 성형 마스터 기재상에 침착될 수 있다. 상기 성형 기재상의 침착 이후, 중합성 층은 기재로부터 제거될 수 있고 제거된 중합성 층은 상이한 기재로 이동된다. 적합하게, 성형 기재 또는 다른 기재상의 침착 이후, 중합성 층은 예컨대 열처리에 의해 경화될 수 있다.
하나 이상의 나노구조 재료는 다양한 구조물 위치 내부에 배치될 수 있다. 적합하게, 하나 이상의 나노구조 재료는 구조물의 굴절률 차이 인터페이스에 가깝게 배치되어 그렇게 함으로써 유효한 방출 출력을 제공한다.
본 발명은 또한, 다양한 발광 장치, 광검출기, 화학적 센서, 광전지 장치 (예를 들어 태양전지), 트랜지스터 및 다이오드, 생물학적 센서, 병리학적 검출기 뿐만 아니라 본원에서 개시된 시스템을 포함하는 생물학적 활성 표면을 포함하여, 본원에서 개시된 방법에 의해 수득된 또는 수득가능한 장치를 제공한다.
본원에서 언급된 바와 같이, 나노구조 재료는, 기타 중에서, 양자점 재료 뿐만 아니라 비제한적으로 나노결정성 나노입자, 염료 및 인광체를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 단수 용어들은, 맥락이 명확히 다르게 지시하지 않는 한, 복수 형태를 포함한다. 따라서, 단수 형태 각각은, 맥락이 명확히 다르게 지시하지 않는 한, "하나 이상"을 언급한다.
맥락으로부터 특이적으로 언급되지 않거나 또는 명백하지 않는 한, 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "또는"은 포괄적인 것으로 이해된다.
본 발명의 다른 측면은 아래 개시되어 있다.
도 1, 2, 3, 4 및 5 각각은 본 발명에 따른 예시적 장치를 보여준다.
(도 6(a), (b), (c), (d) 및 (e)를 포함하는 도 6은 하기하는 실시예 1의 장치의 다양한 묘사를 보여준다. 도 6(a)는 하기하고 x 및 y 방향에서 상이한 광자 결정 (PC) 주기로 2개의 인터리브된 영역을 보여주는 실시예 1의 장치 구조물의 평면도이다. 도 6(b)는 TiO2 유전층에서 포매된 양자점 (QD)을 갖는 광자 결정 (PC)의 단면 도식이다. 도 6(c)는 λ = 615 nm에서 QD 방출을 향상시키기 위해 설계된 PC 영역의 주사형 전자 현미경사진 (SEM) 이미지이다. 도 6(d)는 λ = 615 nm (왼쪽) 및 λ = 550 nm (오른쪽)에서 PC에 대하여 견본 전기장 세기를 보여주고, 전기장 내부에서 QD의 양쪽 파장 및 위치가 향상 조건에 영향을 미칠 것을 예증한다. 도 6(e)는 체커보드 PC 구조물에서 포매된 QD의 사진이고, 여기에서 오렌지 위치는 향상된 방출의 영역 (영역 1)을 보여주는 반면, 영역 2에서 QD 방출 및 주변 벌크 구역은 향상되지 않는다.
도 7은 제작의 다양한 단계에서 PC의 정규화된 투과 효율 스펙트럼 및 체커보드 장치의 50% 유효 면적에 대하여 정규화된 견본 투과 스펙트럼을 보여준다. 비록 추가의 공명이 구조물에 존재하여도, 최대 침지는 공명 모드는 QD 방출과의 커플링이 의도되고, 이는 투과 스펙트럼에서 더 얕은 침지로서 관측된다. QD 층의 부가는 λ = 20-25 nm의 공명 시프트를 초래하고 유전층 내부에서 연속식 전기장을 방해하여, 견본 결과와 비교시, 최종 장치 구조물의 측정된 공명 조건에서 변화를 야기한다.
도 8은, 동일한 제작 단계로 평면 구조물과 비교시, λ = 615 nm에서 QD 방출의 PC-향상된 출력을 보여준다. 구조물에서 QD 층의 위치는 측정된 방출의 양쪽 세기 및 모난 출력에 영향을 미친다. 최대 향상은 TiO2 층 내부의 h = 60 nm에서 포매된 QD에 대하여 발생하였으나; 그러나 수직 입사에서 단지 향상 인자가 h = 90 nm에서 발생하였다.
상세한 설명
광자 결정의 유전층 내부의 양자점을 포함하는 나노구조 재료의 침착이 나노구조 재료의 방출을 향상시킬 수 있음을 이제 증명한다. 따라서, 예를 들어, 하기하는 예에서 보이는 바와 같이, 양자점의 액체상 적용은 유전 필름 층 내부의 양자점의 표적화된 깊이 배치를 허용할 수 있다. 양자점의 향상된 방출은 유전 필름 내부의 특이적 깊이에서 양자점의 배치에 의해 달성될 수 있다. 유전체 내부에 포매된 반도체 재료가 공명 모드로 그의 공간적 중첩을 변화시킴에 따라, 광자 결정에서, 유전층 내부에서 양자점의 깊이는 광자 결정의 공명 파장 뿐만 아니라 방출 향상 효율을 조절하기 위해 찾아진다.
바람직한 구조물은 제1 기재 층 (예를 들어 유리, 중합체 또는 다른 재료의 층)과 하나 이상의 포매된 나노구조 재료를 포함하는 인접한 또는 오버코팅된 유전층을 포함할 수 있다. 제1 층 및 유전층은 적합하게 유효한 콘트라스트를 제공하기 위해 상이한 굴절률을 갖는다. 상기 논의된 바와 같이, 바람직한 측면에서, 광자 결정은 유효한 콘트라스트를 제공할 수 있는 상이한 (상대적으로 높은 및 낮은) 굴절률 재료의 주기적 변화를 포함할 수 있다.
이제 도면을 참조하여, 도면의 도 1은 기재 11상의 중합체 층 12를 포함하는 장치 또는 구조물의 도식이다. 층 12는 적합하게 성형 기재로부터 성형된 복제물이다. 유전 재료 층 14는 나노구조 재료 16 예컨대 발광 양자점으로 포매된다. 나노구조 재료의 각 표면이 상이한 유전 재료와 접촉되는 경우, 상기 논의된 바와 같이, 나노구조 재료는 유전층 내부에 포매된 것으로 고려될 수 있다. 예를 들어, 나노구조 재료는 유전 재료 (예를 들어 금속 옥사이드 예컨대 TiO2)의 적어도 0.2, 0.5 또는 1 nm 두께로 코팅될 수 있다.
층 14는 층 12에 대하여 굴절률 차이를 제공하여 그렇게 함으로써 유효한 콘트라스트를 제공한다. 따라서, 층 14는 층 12의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있거나, 또는 층 14는 층 12의 굴절률보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 적어도 특정 적용에 대하여, 층 14에 대하여 바람직한 재료는 이산화티타늄 (TiO2) 또는 다른 적합한 높은 굴절률 무기 옥사이드를 포함한다. 적합한 유전체는 예를 들어 금속 옥사이드 뿐만 아니라 관련된 황 및/또는 셀레늄 재료를 포함한다. 층 14는 중합성 층 12의 패턴화 분배 없이 코팅 (예를 들어, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅), 스퍼터링, 또는 중합성 층상의 재료의 층을 침착시키기 위한 다른 방법에 의해 침착될 수 있다. 층 14의 두께는 주기적 요홈의 공명 파장을 조율하기 위해 사용될 수 있다. 층 14가 TiO2인 경우, 적합한 두께는 약 50 nm 내지 약 500 nm이다.
도 1에서 보이는 광원 18 (또한 각각의 도 2 내지 5에서 보이는 광원 18로서)은 자외선 (UV) 또는 가시광의 임의의 적합한 공급원, 예를 들어, LED를 포함하는 200 nm < λ < 700 nm 범위에서의 광일 수 있다.
기재 11은 임의의 강성 또는 가요성 재료, 적합하게 원하는 파장 범위에서 광학적으로 투명한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 기재는 유리, 셀룰로오스 아세테이트, 또는 중합성 재료 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 등으로 제조될 수 있다. 기재는 임의의 적합한 두께, 예를 들어, 1 마이크론 내지 1 mm 두께를 가질 수 있다.
층 12의 하나 이상의 중합체는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 등을 포함하는, 임의의 적합한 중합성 재료로부터 선택될 수 있다. 바람직한 중합성 재료는 라우릴 메타크릴레이트 (LMA), 에틸 글리콜 디메타크릴레이트 (EGDMA) 및 이들의 혼합물을 포함한다. 중합체 층은 광학적으로 투명한 접착제 예컨대 NOA 61 (Norland Products, Inc.)로 기재에 임의로 부착될 수 있다.
광자 결정 구조물을 제공하기 위해, 장치는, 중합체 층에서 기재 층 및/또는 유전층을 포함하는, 주기적 패턴을 포함할 수 있다.
따라서, 중합체 층 12는 적합하게 패턴화될 수 있고, 예를 들어 층 12는 복수의 요홈 12'를 포함할 수 있다. 본원에서 언급된 바와 같이 요홈은 다양한 입체배치 예컨대 선형 프리즘, 신장된 리지, 및 선형 창살형을 갖는 주기적 구조물을 포함할 수 있다. 패턴화된 영역에서, 바람직하게는 복수의 요홈은 주기성을 갖고, 예를 들어, 복수의 요홈은 표면상에서 명시된 치수를 따라 동등하게 또는 다른 규칙적 또는 반복 배열로 이격된다. 복수의 요홈은, 예를 들어, 패턴화된 마스터 템플레이트상에 중합체 용액의 코팅에 의해, 중합성 층으로 완전하게 형성될 수 있다. 대안적으로, 복수의 요홈은 기재상에 실질적으로 평평한 또는 평면 중합체 층의 제1 형성, 및 그 다음 중합성 층의 패턴화, 예를 들어, 패턴화된 다이로 스템핑에 의해 형성될 수 있다. 추가 대안에서, 미세구조물 예컨대 리지, 렌즈렛, 피라미드, 사다리꼴, 원형 또는 정사각형 형상화된 포스트, 또는 곡선면 원뿔형 구조물 (참고, 예를 들어, 미국 특허 출원 2010/0128351)은 중합성 층의 표면상에 재료의 침착에 의해 중합성 층상에 형성되거나 또는 적용되어, 그렇게 함으로써 중합성 층상에서 복수의 요홈을 한정한다.
요홈은 적합하게 기재에 적용된 층에서 기재로 완전하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 요홈은 기재에 코팅 층의 적용 및 그 뒤에 적용된 층의 패턴화에 의해 기재상에 형성될 수 있다.
(도 1에서 14a 및 14b로서 예시된) 유전층의 각 부분의 두께는 적합하게 다양할 수 있다. (도 1에서 14a', 14b'로서 보이는) 각각의 상기 유전층 부분 두께는 상이할 수 있고 개재하는 나노구조 재료 층 16의 향상된 방출을 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 나노구조 재료 층 16은 유전층 부분 14a의 두께 14a'의 선택에 의해 중합체 층 12로부터 거리 17a에 배치될 수 있다. 선택된 유전층 부분 두께의 정확한 침착은 스퍼터링을 포함하는 다양한 적용 기술에 의해 달성될 수 있다.
기저 기재 표면 사이의 예시적 적합한 유전층 부분 두께 (예컨대 중합체 층 12의 표면 12''와 나노구조 재료 층 16 사이의 두께)는 적합하게 널리 다양할 수 있고 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 더욱 전형적으로 약 2 또는 3 nm 내지 약 100, 150 또는 200 nm를 포함한다.
나노구조 재료 층 16과 유전층의 최상부 표면 14' 사이에서 예시적 적합한 최상부유전층 부분 두께 14b'는 또한 적합하게 널리 다양할 수 있고 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 더욱 전형적으로 약 2 또는 3 nm 내지 약 100, 150 또는 200 nm를 포함한다.
도면의 도 2는 기재 11상의 중합체 층 12를 포함하는 본 발명의 또 다른 장치 또는 구조물을 보여준다. 층 12는 적합하게 성형 기재상에서 성형된 복제물이다. 유전 재료 층 14는 나노구조 재료 16 예컨대 발광 양자점으로 포매된다. 도 1에서 보이는 장치에 대하여 논의된 바와 같이, 층 14는 층 12에 대하여 굴절률 차이를 제공하여 그렇게 함으로써 유효한 콘트라스트를 제공한다. 따라서, 층 14는 층 12의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있거나, 또는 층 14는 층 12의 굴절률보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 적어도 특정 적용을 위하여, 층 14로 바람직한 재료는 이산화티타늄 (TiO2) 또는 다른 적합한 높은 굴절률 무기 옥사이드를 포함한다.
도 2의 장치 10은 하나 이상의 사항에서 상이한 다중 나노구조 재료 16a 및 16b가 있는 나노구조 재료 층을 갖는 (A 및 B로서 예시된) 다중 영역을 갖고, 예를 들어 여기에서 나노구조 재료 층은 유전층 14 내부의 깊이 배치에서 상이하고/거나 층의 내부에 존재하는 유형 또는 혼합물 나노구조 재료는 장치의 다중 영역 사이에서 상이하다. 예를 들어, 도 2에서 예시된 장치에서, 영역 A (즉 해시 수직선까지 확장하는 장치의 좌측)은 도 2에서 보이는 바와 같이 깊이 16a (즉 층 16a에 대한 유전층 14의 두께)에서 배치되는 제1 유형의 나노구조 재료 (예를 들어, 적색 방출 양자점)을 가질 수 있다. 영역 B (즉 해시 수직선까지 확장하는 장치의 좌측)에서는 나노구조 재료의 영역 A 제1 세트와 상이하고 도 2에서 보이는 바와 같이 깊이 16b (즉 층 16b에 대한 유전층 14의 두께)에서 배치되는 나노구조 재료 (예를 들어 청색 방출 양자점)의 제2 유형을 가질 수 있다.
도 2에서 보이는 바와 같이 그와 같은 다중 영역 입체배치로, 상이한 나노구조 재료는 나노구조 재료의 최적의 출력을 제공하기 위해 유전층 내부에 선택적으로 배치될 수 있다. 도 2의 입체배치가 유전층 내부의 상이한 깊이에서 제1 및 제2 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 제공하는 것이 또한 보여질 수 있다. 제1 및 제2 나노구조 재료는 적합하게 동일 또는 상이할 수 있다.
도 3은 다중 장치 또는 구조물 10 및 20이 함께 내포된, 특히 묘사된 바와 같이 수직으로 적층된 또 다른 적합한 입체배치를 예시한다. 도 3에서, 장치 10은 요홈 12'가 있는 코팅된 중합체 층 12 위에 기재 층 11을 포함한다. 유전층 14 (예를 들어 원하는 굴절률 차이를 제공하기 위해 TiO2 또는 다른 적합한 재료 예컨대 다른 금속 옥사이드를 포함하는 층)은 중합체 층 12 위에 코팅된다. 나노구조 재료 16 예컨대 양자점은 도 1 및 2에 대해 상기 개시된 바와 같은 절차에 의해 적합하게 유전층 14 내부에 포매된다. 장치 20의 기재 21은 그 다음 유전층 14 이후 장치 20의 중합체 층 22를 중첩하고 그 다음 유전층 24 (예를 들어 원하는 굴절률 차이를 제공하기 위해 TiO2 또는 다른 적합한 재료 예컨대 다른 금속 옥사이드를 포함하는 층)은 요홈 22'가 있는 중합체 층 22 위에 코팅된다. 나노구조 재료 26 예컨대 양자점은 도 1 및 2에 대해 상기 개시된 바와 같은 절차에 의해 적합하게 유전층 24 내부에 포매된다.
이해되어야 하는 바와 같이, 추가의 장치 또는 구조물은 도 3에서 묘사된 것, 예를 들어 도 3에서 묘사된 예시적 장치에 대해 측면으로 및/또는 추가로 수직으로 내포하는 인접 장치와 함께 내포될 수 있다.
도 4는 다중 장치 또는 구조물 10 및 20이 함께 내포된, 특히 묘사된 바와 같이 측면으로 인터리브된 또 다른 적합한 입체배치를 예시한다. 도 4에서, 장치 10은 요홈 12'가 있는 코팅된 중합체 층 12 위에 기재 층 11을 포함한다. 유전층 14 (예를 들어 원하는 굴절률 차이를 제공하기 위해 TiO2 또는 다른 적합한 재료 예컨대 다른 금속 옥사이드를 포함하는 층)은 중합체 층 12 위에 코팅된다. 나노구조 재료 16 예컨대 양자점은 도 1 및 2에 대해 상기 개시된 바와 같은 절차에 의해 적합하게 유전층 14 내부에 포매된다. 예컨대 기재 21이 장치 10의 중합체 층 12와 인접한 경우 비록 다른 배열이 또한 적합하여도, 장치 20의 기재 21은 장치 10의 기재 11과 적합하게 측면으로 인접한다. 도 4에서 보이는 바와 같이, 적합하게 중첩하는 기재 21은 요홈 22'가 있는 중합체 층 22이고 그 다음 유전층 24 (예를 들어 원하는 굴절률 차이를 제공하기 위해 TiO2 또는 다른 적합한 재료 예컨대 다른 금속 옥사이드를 포함하는 층)은 중합체 층 22 위에 코팅된다. 나노구조 재료 26 예컨대 양자점은 도 1 및 2에 대해 상기 개시된 바와 같은 절차에 의해 적합하게 유전층 24 내부에 포매된다.
도 3 및 4의 입체배치가 유전층 내부의 상이한 깊이에서 제1 및 제2 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 제공하는 것이 또한 보여질 수 있다. 제1 및 제2 나노구조 재료는 적합하게 동일 또는 상이할 수 있다.
도면의 도 5는 단일 유전층 내부에서 다중 나노구조 재료 층을 포함하는 본 발명의 또 다른 예시적 장치 또는 구조물을 보여준다. 도 5에서 보이는 바와 같이, 장치 구조물 10은 기재 11상에 중합체 층 12를 포함한다. 층 12는 적합하게 성형 기재상에서 성형된 복제물이다.
유전 재료 층 14는 나노구조 재료 16a, 16b 예컨대 발광 양자점으로 포매된다. 도 1 내지 4에서 예시된 구조물에서와 같이, 도 5에서 층 14는 층 12에 대해 굴절률 차이를 제공하여 그렇게 함으로써 유효한 콘트라스트를 제공한다. 따라서, 층 14는 층 12의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있거나, 또는 층 14는 층 12의 굴절률보다 높은 굴절률을 가질 수 있다. 적어도 특정 적용을 위하여, 층 14로 바람직한 재료는 이산화티타늄 (TiO2) 또는 다른 적합한 높은 굴절률 무기 옥사이드를 포함한다. 또한, 층 14는 중합성 층 12의 패턴화 분배 없이 코팅 (예를 들어, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 딥 코팅), 스퍼터링, 또는 중합성 층상에 재료의 층의 다른 침착 방법에 의해 침착될 수 있다. 층 14의 두께는 주기적 요홈의 공명 파장을 조율하기 위해 사용될 수 있다. 층 14가 TiO2인 경우, 적합한 두께는 약 50 nm 내지 약 500 nm이다. 광원 18은 적합한 LED일 수 있다. 기재 11은 상기에서 기재된 바와 같이 임의의 강성 또는 가요성 재료로 제조될 수 있다. 또한 상기에서 기재된 바와 같이, 층 12의 하나 이상의 중합체는 임의의 적합한 중합성 재료로부터 선택될 수 있다. 중합체 층 12는 적합하게 패턴화될 수 있고, 예를 들어 층 12는 복수의 요홈 12'를 포함할 수 있다.
(도 5에서 14a, 14b 및 14c로서 예시된) 유전층의 각 부분의 두께는 적합하게 다양할 수 있다. (도 5에서 14a', 14b', 14c'로서 보이는) 각각의 상기 유전층 부분 두께는 상이할 수 있고 (도 5에서 16a, 16b로서 예시된) 개재하는 나노구조 재료 층의 향상된 방출을 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 나노구조 재료 층 16a는 유전층 부분 14a의 두께 14a'의 선택에 의해 중합체 층 12로부터 거리 17a에 배치될 수 있다. 유사하게, 나노구조 재료 층 16b는 유전층 부분 14a 및 14b의 두께 14a' 및 14b'의 선택에 의해 중합체 층 12로부터 거리 17b에 배치될 수 있다. 선택된 유전층 부분 두께의 정확한 침착은 스퍼터링을 포함하는 다양한 적용 기술에 의해 달성될 수 있다.
기저 기재 표면 사이의 예시적 적합한 유전층 부분 두께 (예컨대 중합체 층 12의 표면 12''와 나노구조 재료 층 16 사이의 두께)는 적합하게 널리 다양할 수 있고 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 더욱 전형적으로 약 2 또는 3 nm 내지 약 100, 150 또는 200 nm를 포함한다.
만일 장치가 도 5의 예시적 장치 10에서 보이는 바와 같이 다중 나노구조 재료 층을 함유하면, 다중 나노구조 재료 층 16a 및 16b는 바라던 대로 적합하게 이격된다. 순차적인 나노구조 재료 층 사이에서 예시적 적합한 유전층 부분 두께 (즉, 도 5에 관련하여, 나노구조 재료 층 16a와 16b 사이의 두께 14b')는 적합하게 널리 다양할 수 있고 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 더욱 전형적으로 약 2 또는 3 nm 내지 약 100, 150 또는 200 nm를 포함한다.
나노구조 재료의 층 (예를 들어 16a)의 침착 이후, 추가 유전 재료 층 14b는 그와 같은 스퍼터링, 스핀 코팅, 또는 다른 기술로 적합하게 적용되고, 스퍼터링이 종종 바람직하다. 논의된 바와 같이, 그 후에, 나노구조 재료 예컨대 양자점의 하나 이상의 추가의 층은 도 5에서 나노구조 재료 층 16b에 의해 예시된 바와 같이 순차적으로 적용될 수 있다. 유전 재료는 각각의 나노구조 재료 층 사이에서 개재된다. 바람직하게는, 도 5에서 층 14c에 의해 예시된 바와 같이 유전 재료가 최상부 나노구조 재료 층 (도 5에서 16b)을 오버코팅시켜 그렇게 함으로써 유전 재료 내부에서 그 나노구조 재료를 포매시킨다.
도 5의 입체배치가 유전층 내부의 상이한 깊이에서 제1 및 제2 나노구조 재료를 포함하는 유전층을 제공하는 것이 또한 보여질 수 있다. 제1 및 제2 나노구조 재료는 적합하게 동일 또는 상이할 수 있다.
최상부 나노구조 재료 층 16b와 유전층의 최상부 표면 14' 사이에서 예시적 적합한 최상부 유전층 부분 두께 14c'는 또한 적합하게 널리 다양할 수 있고 예를 들어 약 1 nm 내지 약 1000 nm, 더욱 전형적으로 약 2 또는 3 nm 내지 약 100, 150 또는 200 nm를 포함한다.
추가 구현예에서, 본원에서 개시된 바와 같이 포매된 나노구조가 있는 하나 이상의 유전층을 갖는 다중 광자 결정은 더 큰 장치 구조물을 제공하기 위해 응집될 수 있다. 예를 들어, 상기 다중 광자 결정 구조물은 더 큰 장치 구조물을 생산하기 위해 인접하는 입체배치에서 내포, 예컨대 적층될 수 있다.
본 발명의 시스템 및 장치에서, 장치의 유전층 내부에 포매됨에 더하여, (도 1, 2, 3, 4 및 5에서 보여진 바와 같이) 중합체 층 12 및/또는 22 내부의, 다른 위치에서, 즉 유전층상의 표면의 사례, 또는 장치 내부의 다른 위치에서 내포된 나노구조 재료를 갖는 것이 또한 적합할 수 있다.
장치의 나노구조 층(들)의 두께 (예컨대 도 5에서 층 16a 및/또는 16b의 두께)는 또한 적합하게 본원에서 개시된 모노-층이 일반적으로 적합할 만큼 딥 코팅 적용에 의해 제공될 수 있는 모노-층일 수 있다.
논의된 바와 같이, 나노구조 재료 층이 유전층 내부에 포매되는 위치 (깊이)의 선택에 의해 나노구조 재료 층의 최적의 방출 출력이 달성될 수 있음을 알아내었다. 방출된 광자의 양쪽 세기 및 모난 출력을 제어하기 위해 광자 결정 내부의 발광 나노구조 재료의 깊이 배치가 사용될 수 있음을 알아내었다.
따라서, 광자 결정 구조물 내부의 상이한 위치에서 발광 나노구조 재료를 포매함으로써, 맞추어진 조명 출력이 창출될 수 있다. 다중 깊이에서 발광 나노구조 재료의 배치는 또한 특이적 파장의 모난 출력을 제어하기 위해 이용될 수 있어, 예를 들어 보는이에게 사생활 또는 깊이 지각을 제공하기 위해 예를 들어 스크린 및 공유된 전시, 또는 표적화된, 협소하게 각진 출력에 요망되는 광각 시야를 창출한다.
특정한 발광 나노구조 재료를 위하여, 유전층 내부의 최적의 배치 위치는 실험적으로 쉽게 결정될 수 있다. 예를 들어, 장치의 몇 개의 샘플은 유전층 내부의 상이한 깊이에서 배치된 나노구조 재료 및 평가된 각종 샘플의 방출 출력으로 생산될 수 있다. 상이한 나노구조 재료는 최적의 원하는 방출을 제공하기 위해 유전층 내부에서 상이한 배치 깊이를 가질 수 있다. 유전층 내부에서 특정한 나노구조 재료의 피크 전기장 위치는 나노구조 재료의 방출 파장에 의존할 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 본 구조물 및 방법에서, 중합체 층, 나노구조 재료, 유전 재료 층 및 다른 층 예컨대 상이한 굴절률을 갖는 층은 기타 중에서 액체 딥 코팅, 전달 인쇄, 스핀 코팅, 및 스퍼터링을 포함하는 유체 또는 액체 적용을 포함하는 다양한 침착 방법에 의해 적용될 수 있다.
적어도 특정 구조물의 생산을 위하여, 나노구조 재료 층의 딥 코팅 적용이 바람직할 수 있다. 본원에서 언급된 바와 같이, 딥 코팅은 액침된 표면에 적용되도록 유체 조성물 속에 코팅되기 위해 기재 또는 기재 표면의 부분 또는 완벽한 액침을 포함한다. 따라서, 본원에서 개시된 바와 같이 나노구조 재료 예컨대 양자점 적용의 경우에서, 적합하게 그 위에 유전 재료 층을 갖는 기재는 나노구조 재료를 포함하는 유체 조성물 속으로 적어도 부분적으로 액침된다. 상기 딥 코팅은 기재 표면 상에서 나노구조 재료의 특히 유효한 층을 제공할 수 있다. 나노구조 재료는 그 위에 유전층을 갖는 기재가 액침되는 유체 유기 조성물에서 용해 또는 분산될 수 있다. 기재의 상기 침지 이후, 기재는 유체 조성물로부터 제거될 수 있고 건조될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 용어 "나노구조 재료"는, 본원에서 사용된 바와 같이, 양자점 재료 뿐만 아니라 하나 이상의 헤테로접합 예컨대 헤테로접합 나노막대를 포함하는 나노결정성 나노입자 (나노입자 또는 나노결정)을 포함한다. 나노결정 및 양자점을 포함하는, 나노구조 재료는 나노결정 구조물을 갖는 및 양자 기계적 특성을 나타내기에 충분히 작은 반도체 재료를 포괄한다. 참고 미국 공개 출원 2013/0056705 및 미국 특허 8039847. 또한 하기를 참조한다: US 2012/0234460 및 US 20130051032. 나노구조 재료는 또한 형광 염료 및 고사양변환 인광체를 포함하는 인광체를 포함할 수 있다.
양자점은 적합하게 그룹 II-VI 재료, 그룹 III-V 재료, 그룹 V 재료, 또는 이들의 조합일 수 있다. 양자점은 적합하게 예를 들어 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaN, GaP, GaAs, InP 및 InAs로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상이한 조건 하에서, 양자점은 2 이상의 상기 재료를 포함하는 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 화합물은 단순히 혼합된 상태에서 현존하는 2 이상 양자점, 2 이상 화합물 결정이 동일한 결정 예를 들어 코어-쉘 구조물 또는 구배 구조물, 또는 2 이상 나노결정을 포함하는 화합물을 갖는 결정으로 부분적으로 분할되는 혼합된 결정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점은 관통 구멍이 있는 코어 구조물 또는 코어 및 코어를 집어넣는 쉘이 있는 케이스에 넣은 구조물을 가질 수 있다. 상기 구현예에서, 코어는 예를 들어 CdSe, CdS, ZnS, ZnSe, CdTe, CdSeTe, CdZnS, PbSe, AgInZnS, 및 ZnO 중 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 쉘은 예를 들어 CdSe, ZnSe, ZnS, ZnTe, CdTe, PbS, TiO, SrSe, 및 HgSe로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다.
복수의 헤테로접합을 포함하는 부동태화된 나노결정성 나노입자 (나노입자)는 장치로서 사용될 때 광 방출을 향상시키는 전하 운반체 주입 공정을 적합하게 촉진시킨다. 상기 나노입자는 또한 반도체 나노입자로 언급될 수 있고 1차원 나노입자를 접촉하는 단일 엔드캡 또는 복수의 엔드캡을 각각의 말단에서 배치시킨 1차원 나노입자를 포함할 수 있다. 엔드캡은 또한 서로 접촉할 수 있고 1차원 나노입자를 부동태화시키는 작용을 한다. 나노입자는 약 적어도 1 축에서 대칭 또는 비대칭일 수 있다. 나노입자는 조성물, 기하학적 구조물 및 전자 구조물, 또는 양쪽 조성물 및 구조물에서 비대칭일 수 있다. 용어 헤테로접합은 또 다른 반도체 재료의 결정 격자 상에서 성장된 1개의 반도체 재료를 갖는 구조물을 암시한다. 용어 1차원 나노입자는 나노입자의 질량이 제1 전력에 대해 나노입자의 특징적인 치수 (예를 들어 길이)로 가변적인 대상을 포함한다. 이는 하기 식 (1)에서 보여진다: M α Ld (식중 M은 입자의 질량이고, L은 입자의 길이이고 d는 입자의 차원성을 결정하는 지수이다). 따라서, 예를 들어, d = 1인 경우, 입자의 질량은 입자의 길이에 직접적으로 비례하고 입자는 1차원 나노입자로 일컬어진다. d = 2인 경우, 입자는 2차원 대상 예컨대 플레이트이면서 d = 3은 3차원 대상 예컨대 실린더 또는 구형체를 한정한다. 1차원 나노입자 (d = 1인 입자)는 나노막대, 나노튜브, 나노와이어, 나노위스커, 나노리본 등을 포함한다. 일 구현예에서, 1차원 나노입자는 곡선을 이룰 수 있거나 또는 파상 (구불구불한)일 수 있다, 즉 1과 1.5 사이에 놓인 d의 값을 갖는다. 예시적 바람직한 재료는 본원에서 참고로 편입된 미국 특허 8,937,294에서 개시되어 있다.
1차원 나노입자는 적합하게 약 1 nm 내지 10000 나노미터 (nm), 바람직하게는 2 nm 내지 50 nm, 및 더욱 바람직하게는 5 nm 내지 20 nm (예컨대 약 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 nm) 직경의 단면적 또는 특징 두께 치수 (예를 들어, 원형 단면적에 대한 직경 또는 정사각형 또는 직사각형 단면적의 정사각형에 대한 대각선)을 갖는다. 나노막대는 특징적인 치수가 상기 언급된 범위내에 놓인 원형 단면적을 갖는 적합하게 강성 막대이다. 나노와이어 또는 나노위스커는 곡선미가 있고 상이한 또는 구불구불한 형상을 갖는다. 나노리본은 4개 또는 5개의 선형 측면에 의해 칸막이되는 단면적을 갖는다. 상기 단면적의 예는 정사각형, 직사각형, 평행육면체, 사방육면체, 등이다. 나노튜브는 나노튜브의 전장을 횡단하는 실질적으로 동심성 구멍을 가져, 그렇게 함으로써 튜브-유사형이도록 한다. 이들 1차원 나노입자의 종횡비는 2 초과 또는 동등, 바람직하게는 5 초과 또는 동등, 및 더욱 바람직하게는 10 초과 또는 동등이다.
1차원 나노입자는 그룹 II-VI(ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdTe, HgS, HgSe, HgTe, 등) 및 III-V (GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlAs, AlP, AlSb, 등) 및 IV (Ge, Si, Pb 등) 재료, 이들의 합금, 또는 이들의 혼합물을 적합하게 포함하는 반도체를 포함한다.
양자점 재료를 포함하는 나노구조 재료는 상업적으로 이용가능하고 또한 예를 들어 금속성 전구체를 이용한 표준 화학 습성 방법에 의해 뿐만 아니라 유기 용액 속에 금속성 전구체의 주입 및 금속성 전구체의 성장에 의해 제조될 수 있다. 양자점을 포함하는 나노구조 재료의 크기는 적색 (R), 녹색 (G), 및 청색 (B) 파장의 광을 흡수 또는 방출하기 위해 조정될 수 있다. 따라서, 발광 나노결정은 선택된 파장 또는 파장 범위의 광을 흡수 또는 방출하기 위해 선택될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 예증이다.
하기하는 실시예 1에 대한 재료 및 방법:
장치 제작: 본 실시예에서, 광자 결정 (PC) 제작은 PC 창살형으로 원하는 복제 성형된 구조물의 음성 이미지를 함유하는 "마스터" 실리콘 웨이퍼를 이용하였다. 금형은 전자 빔 리쏘그래피 (JEOL JBX-6000FS) 패턴화가 있는 열적 옥사이드 SiO2 층을 함유하여 반응성 이온 에칭 (PlasmaLab Freon/O2 Reactive Ion Etcher)으로 80 nm 기둥을 생산하였다. 에칭된 면적을 피라냐 에칭용 시약의 용액 (황산 및 과산화수소의 3:1 (v/v) 혼합물)로 20 분 동안 세정하고, 그 다음 탈이온수로 린스하고, N2로 건조시키고 2방울의 No-Stick 용액이 있는 폐쇄된 용기에서 (트리데카플루오로-1,1,2,2-테트라하이드로옥틸) 트리클로로실란 (No-Stick, Alfa Aesar)의 증기상 침착으로 1 시간 동안 처리하였다. 후 식각 가공은 마스터 웨이퍼로부터 복제물의 일관된 제거를 가능하게 한다.
플라스크에서 혼합된 91 μL의 라우릴 메타크릴레이트 (LMA) 및 9 μL의 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 (EGDMA)를 함유한 UV 경화성 중합체로 PC의 복제 성형된 층을 형성하였고, 그 다음 1 μL의 개시제 (Darocur 1173, Sigma-Aldrich)를 부가하였다. 용액을 마스터 웨이퍼상에 드롭-코팅하고, 중합체 접착을 증가시키기 위해 3-(트리메톡시실릴)프로필 메타크릴레이트 (Sigma Aldrich)의 증기상 침착으로 이전에 처리된, Optigrafix Acetate의 시트로 피복시켰다. 액적은 확산하였고 실리콘 기재와 아세테이트 시트 사이에서 연속식 박층을 형성하였다. 아르곤 대기중 30 분 동안 고강도 UV 램프 하에서 중합시키고, 그 다음 아세테이트 기재에 부착된, 복제된 창살형 구조물을 함유하는 필름은 마스터로부터 제거될 수 있다.
스퍼터링을 사용하여 복제 성형된 중합체 층 위에 높은 굴절률 TiO2 층 (K. J. Lesker Dual-Gun Sputter System)의 원하는 두께를 침착시켰다. 카드뮴 셀레나이드 (CdSe) 양자점 (QD) 딥 코팅 용액을 올레산 리간드 코팅으로 합성하였고, 에탄올 및 메탄올로 침전 및 원심분리에 의해 2회 정제한 다음, 최초 농도로 헥산에서 재분산시켰다. PC를 15 초 동안 용액속에 침지시키고, 제거하고 적어도 5 min. 동안 건조시켰다. 만일 침착이 균일하지 않았으면, PC를 헥산에서 액침시켜 양자점을 제거하고 침지 절차를 반복시켰다. 마지막으로, 헥산을 사용하여 기재의 뒷쪽 표면으로부터 QD를 제거하여 PC 장치 영역 밖으로 임의의 교락 방출을 없앴다. 추가의 스퍼터링을 그 다음 수행하여 TiO2 층을 완벽하게 만들었다.
측정 및 특성규명:
각각의 시험 구조물의 출력을 특성화하기 위해 사용된 시험 셋업을 LabVIEW OmniDriver 인터페이스에 의해 작동시켰다. QD에 대한 여기 공급원은 중심 파장 λ = 375 nm의 콜리메이트 UV 발광 다이오드 (Thor Labs, Ultra Bright Deep Violet LED)이다. LED는 반치폭 20 nm를 갖고 350<λ<390 nm 대역 필터를 또한 사용하여 시험중 구조물에 닿음 및 QD 방출의 측정 방해로부터 임의의 비-UV 파장을 없앴다. 시험을 위하여, 구조물을 모터화된 회전 단계에서 실장시켰고, 이는 시험 셋업의 광학 축에 대해 구조물의 표면의 배향으로 0.1°단계 증분을 허용한다. 각각의 위치에서 출력 방출을 광섬유 상의 UV 필터 및 콜리메이트 렌즈 통과 이후 수집하였고, 그 다음 USB2000+ Ocean Optics 분광기에 의해 분석하였다.
(LED 및 대역 필터 대체용) 공급원으로서 광대역, 비극성화된 텅스텐-할로겐 램프의 이용으로, 구조물을 통한 투과 스펙트럼을 또한 측정할 수 있다. 광자 결정 시험 구조물에 대해 동일한 가공을 경험하였던 벌크 샘플에 조명 공급원을 통과시켜, 다양한 층을 통해 광 감쇠용 대조 측정을 제공하였다. 동일한 측정을 그 다음 시험 구조물에 하였고, 대조 측정으로 정규화시켜, 광자 밴드 구조물 및 출력 방출의 모난 의존을 결정하였다.
실시예 1: 장치 제작
생산된 장치 구조물은 포매된 QD의 방출 파장과 PC 공명 파장을 일치 또는 불일치시키는 영역으로부터 QD 방출 세기의 나란히 비교를 가능하게 하는 2개의 상이한 2-차원 PC 영역을 포함한다. 도 6(a)에서 보이는 바와 같이, 영역을 체커보드 포멧으로 인터리브하였고, 여기에서 교대 영역은 상이한 공명 파장을 갖는다. 각각의 영역은 도 6(a)의 삽입물에서 보이는 바와 같이 2개의 직교 주기를 가졌고, 2개의 주기는 포매된 QD의 양쪽 여기 및 방출 파장을 향상시키기 위해 설계되었다. 예를 들어, 체커보드의 영역 1에서 2D-PC는 x-방향에서 단주기 (L = 200 nm, 40% 사용율) 및 y-방향에서 장주기 (L = 340 nm)을 가졌다. 단주기는 QD 여기에 대하여 사용된 350<λ<390 nm의 UV 파장에서 도파 모드 공명을 생산하기 위해 설계되는 반면, 장주기는 QD 방출의 λ = 615 nm 파장에서 공명을 생산하기 위해 설계된다. 체커보드의 영역 4는 x-방향에서 L = 200 nm (70% 사용율)의 단주기 및 y-방향에서 L = 250 nm의 장주기를 갖고, 여기에서 단주기는 QD 여기 파장에서 도파 모드 공명을 생산하기 위해 또한 설계되지만, 장주기는 λ = 480 nm의 파장에서 공명을 생산한다. 따라서, λ = 615 nm에서 중심된 방출 파장을 갖는 QD가 전체 구조물 내부에 포매되는 경우, (체커보드의 모든 부분에서) 모든 QD는 공명 증대 효과로 여기될 것이지만, 그러나 영역 1 내부의 단지 QD는 향상된 추출 효과에 참여할 것이다. 유한 차분 시간 도메인 전자기 컴퓨터 시뮬레이션 (Lumerical, FDTD)을 사용하여 95 nm 두께의 TiO2 (n = 2.35, Metricon Model 2010/M Prism Coupler) 층이 λ = 615 nm에서 비극성화된 QD 방출에 대한 커플링을 극대화하는지를 결정하였다. 이는 동일한 창살형 구조물 그러나 TiO2 층의 교대 침착 두께를 이용하여 제작된 이전의 PC 장치에서 공명 조건으로부터 외삽된 값과 일관되었다.
λ = 615 nm QD 방출을 향상시키기 위해 표적화된 공명이 있는 영역은 340 nm 주기와 60% 사용율을 갖고 직교 창살형은 140 nm의 주기와 70% 사용율을 갖는다. 교대 PC 체커보드 영역은 λ = 490 nm의 단파장에서 광학적 공명을 갖지만, QD 방출과 중첩하지 않고, QD 방출 향상을 제공하는 유효한 장치 구역을 이등분한다. 출력 세기의 차이는 나안에 가시적이고 도 6(e)에서 QD 포매된 PC의 사진에서 보이는 바와 같이 QD 향상의 시각적 확인을 가능하게 한다. 상기 연구를 단순화시키기 위해, λ = 615 nm 공명 근처의 광학적 특징은 상기 결과의 중심이다.
도 6(b)에서 보이는 바와 같이, PC는 TiO2의 특이적 두께, h 가 침착되는 복제 성형된 중합체 창살형 구조물을 가졌다. QD의 층을 그 다음 TiO2 표면위에 침지-코팅에 의해 적용하고, 원하는 TiO2 두께의 나머지를 QD위에 침착시킨다. 최종 TiO2 침착 이후 최상부 표면의 SEM 이미지는 도(c)에서 보여진다. λ = 615 nm 및 λ = 550 nm에서 공명 모드용 견본 전기장은 도 6(d)에서 보여지고, 동일한 PC 구조물 내부에서 입사 파장으로 피크 전기장 세기의 위치가 변화함을 증명한다. TiO2 층 내부에서 QD 방출기의 깊이를 다양하게 함으로써, QD 방출 세기의 향상이 또한 다양할 것임을 기대한다. TiO2 영역 내부에서 QD 배치의 충격을 조사하기 위해, 하기 표 1에 기재된 입체배치가 있는 장치를 제작하였고, 각각의 배치는 3개의 PC 샘플 및 동일한 절차로, 그러나 주기적 창살형 구조물 없이 창출된 평평한 "대조" 샘플로 구성되었다.
표 1. 시험 구조물의 각각의 배치에 대하여, 각 TiO2 층의 두께, 및 따라서 QD 층의
배치.
Figure 112019077386016-pat00001
장치의 투과 효율 스펙트럼을 상기에서 기재된 바와 같이 제작 공정의 각 단계 이후 측정하였다. 수직 입사에서 측정된 투과 효율의 최소값을 사용하여 공명 모드의 보고된 파장을 결정하였다. 도 7에서 흑색 선으로서 보이는, 연속식 TiO2 유전층을 위한 견본 투과 효율을 측정된 투과 스펙트럼과 비교로 사용된 체커보드 패턴의 50% 유효 구역으로 정규화시켰다.
도면의 도 7에서 보이는 바와 같이, 침착된 TiO2 재료의 각각의 층이 투과 효율 최소에서 적색-시프트를 야기하였다. 모든 샘플에서 관측된 QD의 부가에 의해 야기된 λ = 20-25 nm의 시프트가 또한 있었다. QD 층 위에 침착된 단지 5 nm의 TiO2가 있는, h = 90 nm에서 부가된 QD의 구조물에 대하여, 투과 효율 최소는 λ = 620 nm에서 발생하였다. 상기 최소는 포매된 QD가 없는 연속식 유전층에 대한 견본 결과에 의해 예상된 λ=615 nm 값보다 단지 λ = 5 nm 더 큰 파장에서 발생한다. 그러나, 다른 장치 조건에 대하여, 최종 TiO2 층을 QD 위에 침착한 이후 다른 깊이 h에 대한 공명 파장은 h = 30 nm에 대하여 △λ = 40 nm 만큼 및 h = 60 nm에 대하여 △λ = 15 nm 만큼 견본 파장으로부터 청색이동된다. 상기 PC에서, TiO2 층의 연속식 굴절률은 파괴되고 PC의 유효한 굴절률은 (크기에 따라, n = 2.5-2.64) QD의 더 높은 굴절률 재료에 의해 변경된다. 굴절률에 관한 QD의 충격은 전기장의 높은 또는 낮은 세기 부분 내부에서 그의 위치로 다양할 수 있고, 추가로 광자 결정의 유효한 굴절률을 조절한다.
제작된 장치의 출력 세기는 또한 다양한 각을 거쳐 측정되었고, 그리고 QD 방출의 향상과 관련하여 유전층 내부에서 QD 위치의 충격은 결정되었다. 공명이 PC 밖으로 광 커플링의 추출 각도 및 파장 모두에 의존하기 때문에, 도면의 도 8에서 보이는 바와 같이, 출력 세기는 λ = 615 nm의 피크 QD 방출에서 수직 입사 (0°)부터 20°까지 다양한 각을 거쳐 측정되었다. 출력 세기는 각각의 실험 조건에서 측정된 3개의 PC 구조물에 대한 평균이었다. 향상 인자는 각각의 실험 조건에 대하여 평면 대조 구조물 출력 세기로 PC 내부의 평균 QD 출력 세기를 나눔으로써 결정되었다. 대안적 체커보드 영역에서 QD 방출이 향상되지 않기 때문에, QD의 방출 파장에 일치된 공명이 있는 체커보드 영역에 대한 실제 향상 인자는 실제로 본원에 보고한 값보다 2X 높을 것이다.
도면의 도 8은 광자 결정의 유전층 내부에서 포매된 QD의 깊이가 QD 방출의 향상에 충격을 준다는 것을 명확히 보여준다. 수직 입사에서 최고 향상 인자는 5X이었고, 깊이 h = 90 nm에 위치한, TiO2 표면에 가장 가까운 QD 층이 있는 구조물에서 발생하였다. 이는, 도면의 도 6(d)에서 보이는, 수직 입사에서 추출된 λ = 615 nm 광에 대한 견본 결과로부터 예상되고, 여기에서 가장 큰 전기장은 높은 굴절률 층의 최상부 표면을 따라 농축된다. 그러나, 다른 제작된 구조물은 TiO2의 h = 60 nm에서 위치한 QD에 대하여 4°의 추출 각, 및 h = 30 nm에서 QD에 대하여 7°의 추출 각에서 더 높은 향상 인자 (최대 8X)를 증명하였다.
논의된 바와 같이, 피크 향상이 발생하는 다양한 각은 PC 내부에서 방출기의 깊이 배치가 방출된 광자의 양쪽 세기 및 모난 출력을 제어하기 위해 사용될 수 있음을 나타낸다. 이러한 방법론은 PC 구조물 내부의 상이한 위치에서 포매된 다중 QD 방출 파장을 동시에 향상시키기 위해 그리고 맞추어진 조명 출력을 창출하기 위해 유용할 것이다. 다중 깊이에서 QD의 배치는 또한 특이적 파장의 모난 출력을 특이적으로 제어하기 위해 사용될 수 있어, 보는이에게 사생활 또는 깊이 지각을 제공하기 위해 스크린 및 공유된 전시, 또는 표적화된, 협소하게 각진 출력에 요망되는 광각 시야를 창출한다.

Claims (11)

  1. 함께 내포된 복수의 광자 결정들을 포함하는 구조물로서,
    각각의 광자 결정은 유전층을 포함하고,
    상기 유전층은 발광 나노구조 재료를 내부에 포함하며,
    상기 유전층의 제1 깊이 레벨에 발광 나노구조 재료의 제1 세트의 층이 위치하고, 상기 유전층의 제2 깊이 레벨에 발광 나노구조 재료의 제2 세트의 층이 위치하며, 상기 유전층의 상기 제1 깊이 레벨과 상기 제2 깊이 레벨은 서로 상이하고,
    상기 발광 나노구조 재료의 제1 세트와 제2 세트 사이에 방출 파장이 상이한, 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전층이 금속 옥사이드를 포함하는, 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노구조 재료가 양자점, 형광 염료, 또는 인광체를 포함하는, 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 구조물이 발광 장치, 광검출기 장치, 화학적 센서, 광전지 장치, 형광 백라이트 필름, 다이오드, 트랜지스터, 생물학적 센서 또는 병리학적 검출기를 제공하는, 구조물.
  5. 구조물의 형성 방법으로서,
    하나 이상의 나노구조 재료를 포함하는 조성물로 유전 표면을 갖는 기재를 딥 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 구조물이 함께 내포된 복수의 광자 결정들을 포함하며,
    각각의 광자 결정은 유전층을 포함하고,
    상기 유전층은 발광 나노구조 재료를 내부에 포함하며,
    상기 유전층의 제1 깊이 레벨에 발광 나노구조 재료의 제1 세트의 층이 위치하고, 상기 유전층의 제2 깊이 레벨에 발광 나노구조 재료의 제2 세트의 층이 위치하며, 상기 유전층의 상기 제1 깊이 레벨과 상기 제2 깊이 레벨은 서로 상이하고,
    상기 발광 나노구조 재료의 제1 세트와 제2 세트 사이에 방출 파장이 상이한, 구조물의 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 딥 코팅 이후 상기 기재에 유전 재료를 도포하는 단계를 추가로 포함하는, 구조물의 형성 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 구조물이 광자 결정인, 구조물의 형성 방법.
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