CuOx作为空穴注入层在量子点发光二极管中的应用

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在过去二十年中,为了有效利用量子点的高色纯度,高光致发光量子产率和光物理稳定性,量子点发光二极管已得到广泛研究。在传统的QD-LEDs器件中,作为空穴注入层材料的PEDOT:PSS,具有较高的透过率,较高的功函以及良好的载流子传输性能。然而,PEDOT:PSS的酸性和吸湿性极易腐蚀 ITO电极,影响器件的发光显示性能及稳定性。为解决该问题,多种材料被用来替代PEDOT:PSS。其中,过渡金属氧化物,如WO3、MoO3、NiO、CuOx和V2O5等,由于具有良好的稳定性和优异的载流子迁移率而受到广泛的关注。在这其中,铜的氧化物(CuOx)作为典型的p型半导体材料,在提高空穴注入方面具有一定优势,并成功的在太阳能电池领域得到应用。CuOx膜的制备方法较丰富,如真空沉积法、化学合成法、溶液法等。其中溶液法制备工艺简单、成本低,便于在全溶液法QD-LEDs中应用。  本论文主要围绕溶胶凝胶法制备CuOx薄膜及其在QD-LEDs器件中的应用展开工作。设计基于CuOx空穴注入层的多种器件结构,研究CuOx具有的空穴注入能力。进一步设计CuOx/PEDOT:PSS叠层复合结构,平衡器件中的载流子浓度。同时,复合结构减少对ITO的腐蚀,增加器件的稳定性。本论文将从以下三个方面开展工作:  (1)CuOx薄膜的溶胶凝胶法制备及其表征。采用乙酰丙酮铜作为前驱体材料,氯苯为溶剂,通过溶胶凝胶法制备 CuOx薄膜。分析表明,选取不同浓度的前驱体溶液成膜,其粗糙度均相对较小,有效填补了ITO电极的表面缺陷,使其表面光滑平整,并且具有相当高的透过率。结构表征显示,CuOx薄膜的表面化学成分不是单一的,而是一价铜与二价铜的混合物,确保了CuOx为p型半导体,适合用作空穴注入层材料。  (2)以 CuOx薄膜作为空穴注入层,设计如下 QD-LEDs器件结构:ITO/CuOx/TFB/QDs/ZnO/Al。优化膜厚度、退火温度、UV-O3处理时间等实验参数,不同条件下的处理能够改变膜表面的化学组成及形貌,经优化可得到合适的Cu+:Cu2+比例和价带位置,提高空穴注入效率,从而提高器件的性能。最终得到最高亮度为27860 cd/m2、最大电流效率为11.34 cd/A、最大功率效率为5.74 lm/W的QD-LEDs器件。同时,通过UPS的表征发现:CuOx的加入,能够影响TFB的能级位置,降低了空穴注入势垒,使空穴注入更加方便,从而使器件性能得到提高。  (3)设计CuOx/PEDOT:PSS复合结构作为空穴注入层用于QD-LEDs器件,优化实验参数,提高器件性能,并研究相关机理。将CuOx插入在ITO与PEDOT:PSS之间,一方面CuOx能够填补ITO表面的缺陷,使得PEDOT:PSS在较为平整的表面上成膜,得到更加光滑平整的薄膜;另一方面,由于CuOx的价带顶位于ITO与PEDOT:PSS之间,可形成“阶梯化”能级,减小空穴注入势垒,使空穴注入更加方便,进一步提升空穴和电子在发光层的复合几率。经复合结构优化的器件,最高亮度可达60200 cd/m2,与标准器件相比,提高约24%。器件的电流效率和功率效率则分别为33.03 cd/A及24.70 lm/W,与标准器件相比,增加幅度分别为32%及39%,同时,EQE可达7.80%,提升明显。进一步对器件进行的寿命测试也表明,复合结构的器件具有更优异的稳定性。
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