可见光波段随机相位超构表面制备技术和光场调控机制研究及其在白光有机电致发光二极管中的应用

Metasurface is an artificial functional structure with sub-wavelength feature, which exhibits huge potential of application in flat optical elements as well as optoelectronic functional devices. Bandwidth is one of the bottlenecks for the application of metasurface in visible spectrum. Recently, random phase metasurface was thought as a novel and attractive research direction to broaden the bandwidth by inducing random into the design of phase compensation unit. The key issues of this research direction are as follow, 1）The influence of the disorder degree of the metasurface on its property is still unclear, 2) The fabrication process that can effectively control the disorder degree is scarce. .To resolve above issues, the contents that this project mainly focus are as follow, 1) To build a quantitative model for the relationship among the structure disorder, the density distribution of wave vector of the of phase compensation units, and the light control ability of the metasurface，2）To develop a fabrication technology for the random phase metasurface based on a segmented copolymer nano-hole template method, 3) To collaboratively optimize the light-coupling ability as well as the roll-off performance of white organic light emitting diodes by using random phase metasurface. This project will benefit the design methodology as well as the fabrication technology of the random phase metasurface. This project will also enrich the theoretical system. Furthermore, this project will pave a novel way for the performance enhancement of organic light emitting diodes.

超构表面是指人为设计的具有亚波长尺度特征的功能结构，在平面光学元件和光电功能器件中具有巨大的应用前景。带宽是限制超构表面在可见光波段应用的瓶颈问题之一。最近，通过在相位补偿单元设计中引入随机性构造随机相位超构表面成为拓展带宽的一个新颖且极具应用价值的研究方向。目前该方向的关键问题在于：1)结构无序度对超构表面性能的调控规律不清楚，2）缺乏制备无序度可控结构的工艺方案。.围绕上述问题，本项目开展如下工作：1）建立相位补偿单元结构无序度及其波矢密度分布对超构表面光场调控能力影响规律的量化模型；2）发展基于嵌段共聚物纳米孔模板的随机相位超构表面制备技术；3）将随机相位超构表面应用于白光有机电致发光二极管中实现对光耦合输出问题和效率滚降问题的协同优化。本项目的顺利实施可获得随机相位超构表面设计和实现的普适性方法，丰富超构表面设计的理论体系，并为有机电致发光二极管性能的协同优化提供新的技术路线。

白光有机电致发光二极管（OLEDs）具有面发光、色域宽、易柔性的优势，在未来健康照明领域具有巨大的应用前景。目前，在宽光谱条件下光提取效率低是白光OLEDs效率提升所面临的关键瓶颈问题。本项目从随机超构表面可实现宽光谱调控的优势出发，提出基于随机超构表面实现白光OLEDs器件全光谱光耦合增强的研究思路。围绕这一研究思路，在一年的项目资助期内，我们主要开展了如下研究内容：第一、探索了PMMA/PS二元聚合物体系相分离的热力学过程和动力学过程，提出了基于共沸溶剂体系的随机微纳孔阵列制备工艺，实现并表征了以银纳米盘-银纳米孔复合结构为单元的随机相位超构表面，并将其应用于白光OLEDs器件，将器件的电流效率提升40%；第二、探索了金属蒸汽在纤维薄膜中的沉积行为，发展了一种基于金局域表面等离激元吸收的宽谱吸收薄膜（在300nm~1100nm的宽谱范围内该薄膜具有优于85%的吸光度），并探索了其在光热水提纯中的应用（在AM1.5标准太阳光照射下，获得了1.4kg/m2·h的水蒸发速率）； 第三、从聚合物相分离行为研究出发，发展了一种龟裂裂纹现象的调控方法，并以这种龟裂裂纹为模板发展了一种柔性透明导电薄膜制备方法。此外，在本项目支持下，我们还探索了金属纳米颗粒修饰层改善银纳米线薄膜性能及其在柔性透明电磁屏蔽领域的应用（对于8.2GHz的电磁波，薄膜的电磁屏蔽效能达到24.9dB,透光率达到90%）。本项目的研究成果丰富了聚合物相分离过程的理论，发展了随机超构表面、宽谱吸收薄膜、柔性透明导电电极的制备技术，为白光OLEDs器件、光热转换薄膜和柔性透明电磁屏蔽等应用需求提供了新的解决方案。