量子点发光二极管效率和稳定性提升的研究

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量子点发光二极管(Quantum dot light emitting diodes,QLEDs)具有电致发光效率高、发光波长易调节、色纯度高和色域广等特点,同时由于QLEDs器件可以采用喷墨打印、转移印刷和丝网印刷等技术手段实现全溶液法制备,有利于实现低成本、大面积、高分辨率的平板器件。所以QLEDs被认为是下一代平板显示和固态照明技术的有力竞争者。但是目前QLEDs器件的效率和稳定性距离商用阶段的要求仍有一定差距。限制器件效率和稳定性的主要因素有量子点层的发光效率较低、电荷传输层对量子点层的激子淬灭和器件中电荷传输不平衡等。其中,核壳量子点中的晶格失配产生的界面应变和缺陷、非辐射俄歇复合和F?rster共振能量转移等过程会降低量子点层的发光效率。而与量子点层相邻的电荷传输层的缺陷会造成量子点中的激子淬灭。此外,量子点与相邻电荷传输层的能带不匹配、电子和空穴传输层材料的导电能力差异大会造成器件中电荷不平衡。本文以CdSe QLEDs为研究对象,针对上述影响器件性能的关键因素,通过对量子点发光层的发光效率、能带结构的调控以及电荷传输层半导体特性的优化以提升器件的效率和稳定性。具体的研究成果总结如下:(1)研究了量子点的结构对量子点中激子复合过程以及量子点能带的影响关系,进而精确调控量子点的壳层结构以提高量子点层的发光效率,同时降低空穴在量子点层/空穴传输层界面的注入势垒。研究结果表明,在CdZnSe/ZnS量子点核壳之间加入CdZnS中间层可以平滑核壳之间的晶格界面,减少因界面应变造成的缺陷,同时中间层的加入也可以平滑核壳界面的能带结构和增加壳层厚度,进而抑制了量子点中非辐射的俄歇复合和F?rster共振能量转移过程,从而将量子点溶液和薄膜的荧光量子产率分别提高至92%和65%。此外,由于中间层CdZnS的价带位置相较于最外层Zn S壳层更浅,因此中间层的加入会提高量子点整体的价带位置,使得量子点层/空穴传输层界面的注入势垒降低了31%,从而提高了空穴的注入效率,促进了器件中的电荷平衡。基于CdZnSe/CdZnS/Zn S的QLEDs器件的发光外量子效率和电流效率分别为18.65%和13.48 cd A-1,相对于CdZnSe/Zn S器件分别提高了19%和40%。同时基于CdZnSe/CdZnS/Zn S量子点的QLEDs器件在高亮度范围10~3-10~4cd m-2内还表现出较低的效率滚降(18.65%-14.27%)。此外基于CdZnSe/CdZnS/Zn S量子点的QLEDs器件的工作寿命比基于CdZnSe/Zn S量子点的器件提高了近三倍,达到2.9×10~5小时以上。(2)通过优化电子传输层Zn1-xMgxO中Mg掺杂含量以调控其能带结构、导电能力和缺陷浓度,进而促进电荷平衡和抑制激子淬灭。同时在黄色和蓝色量子点之间加入缓冲层以调控载流子在各发光层的复合效率,进而实现高效的叠层白光QLEDs器件。研究表明,通过精准调控电子传输层Zn1-xMgxO的Mg掺杂含量以调节其能带结构和导电率,进而控制电子的传输能力以促进电荷平衡,同时Mg掺杂可以抑制界面电荷转移和减少ZnO中的缺陷,从而降低了电子传输层对量子点中激子的淬灭作用。黄色和蓝色量子点之间的缓冲层可以防止旋涂上层量子点时对下层量子点膜的破坏,同时利用缓冲层厚度薄和载流子迁移率高的特性以保证器件中载流子的高效输运。通过改变缓冲层的厚度可以控制载流子在各发光层的复合效率以调控发射白光的色坐标。基于Zn0.95Mg0.05O电子传输层和缓冲层的QLEDs器件的最高电流效率和功率效率分别为24.6 cd A-1和25.8 lm W-1,相对于ZnO电子传输层的器件分别提高了19%和38%。(3)开发了一种利用11-巯基十一烷酸(MUA)对无机空穴传输层NiO进行表面修饰的策略,并将其应用于全无机QLEDs以提高器件性能。该表面修饰一方面可以钝化NiO的表面缺陷,抑制其对量子点中激子的淬灭作用,另一方面,MUA修饰可以降低NiO的价带位置,进而降低NiO/QDs界面的空穴注入势垒,提高空穴的注入效率。最终优化得到的绿色全无机QLEDs的开启电压为2.4 V,最大亮度为7785 cd m-2,最高电流效率和最大发光外量子效率分别为5.50cd A-1和1.28%,相较于参照器件分别提高了4.5倍和1.72倍。器件工作寿命达到6350小时,提升了20多倍。
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