氧化锌锡作电子传输层的CdSe(S)量子点发光二极管

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胶体量子点(Colloidal Quantum Dots,简称QDs)具有荧光效率高、单色性好、发光波长可调控及稳定性好等优点,有潜力取代传统的有机或无机发光体成为下一代LED器件的核心部分。基于量子点的电致发光器件(QD-LEDs)般采用有机半导体材料作为电荷传输层,然而有机半导体材料在水汽和氧气环境下性能容易退化导致器件的稳定性差。QD-LEDs要实现在商业化,必须在保持高效率的前提下提高其稳定性。针对采用纯有机半导体材料作为电荷传输层的QD-LEDs器件存在稳定性差的问题,本文采用无机半导体材料取代有机半导体材料作为电子传输层旨在提高器件的稳定性。射频磁控溅射生长的ZnSnO非晶薄膜具有稳定性好、电子迁移率高(-3.2cm2V-1s-1)以及载流子浓度易调控(1012~1019cm-3)等特点,是一种合适的电子传输层材料。本文以ZnSnO和TPD分别作为电子和空穴传输层,采用CdSe量子点作为发光层,制备了结构为Ag/ZnSnO/CdSe-QDs/TPD/ITO的混合有机/无机电荷传输层的QD-LEDs器件。器件具有以下特点:色饱和度高,光谱的半宽高小于56nm;光谱形状稳定,在不同的偏压下光谱形状不会发生改变;开启电压较低,约为3V;稳定性好,没有封装的器件能够在大气环境下持续工作数小时,且存放数月后仍能点亮。获得稳定高效的QD-LEDs器件的另一个关键因素是器件中电子和空穴注入量能够达到平衡。本文通过研究ZnSnO电导率对器件开启电压和发光强度的影响,得到了最佳的ZnSnO电学参数,进一步提高了器件的稳定性和发光效率。利用量子点实现的具有白光发光特性LED也有不少报道,然而这些报道中很少有充分利用量子点表面态发光带来的宽光谱发射特性。一些利用此特性报道的白光QD-LEDs由于采用了含有大量表面态、荧光效率低的量子点,从根本上限制了器件的发光效率。在此背景下,本文探索了采用荧光光谱中没有表面态发光的高效率量子点作为发光层,通过引入局域表面等离激元共振耦合增强发光效率的方法诱导产生量子点表面态发光,实现具有白光发光特性的QD-LEDs的可能性。研究证实,器件中金属电极与量子点发光层间隔低于60nm时,其局域表面等离激元可以与量子点发光层发生共振耦合现象从而诱导产生出量子点表面态发光,因而可以使器件实现宽光谱发射。器件中量子点表面态发光的强度与量子点带-带发光的强度的比值(SSE/B-B)会随着器件偏压的增大出现先急剧下降后缓慢变大的变化。在此研究基础上,本文采用斯塔克斯位移达到200nnm的CdSeS量子点作为发光层制备了结构为Ag/ZnSnO/CdSeS-QDs/TPD/ITO的QD-LEDs器件。CdSeS量子点的大斯塔克斯位移使得TPD在作为空穴传输层的同时能够扮演蓝光发光体的角色,同时使器件工作机理的研究更加直观明了。器件的EL谱显示,利用此方法可以获得由TPD蓝光发光、量子点带-带绿光发光和局域表面等离激元共振耦合诱导产生的量子点表面态红光发光混合形成的白光发光。器件中被限制在量子点层的电子和注入到TPD的电子的比例和SSE/B-B均与偏压有关,因而三种颜色发光的相对强度会随着偏压的增大而改变,使得器件的发光颜色随着偏压的增大而逐渐变化。器件在10V偏压下的EL显示出较好的白光特性,对应于CIE色度图中(0.281,0.384)的位置。
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