ZnO/QD界面调控对蓝色QLED发光性能的影响研究

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量子点(QDs)是一种可溶液处理的纳米级晶体半导体材料,由于其具有窄发射峰、宽光谱可调性和高光致发光量子产率(PL QY)等光学特性而受到越来越多的关注。基于量子点的发光二极管(QLED)在色纯度、响应时间和色域等方面比现有的显示与照明技术更具竞争力,并且在柔性可穿戴设备、低功耗和高色纯度方面存在着巨大潜力,因此被认为是新一代高性能显示和照明技术的有力竞争者。实现显示与照明应用需要红绿蓝三基色的原型器件均满足稳定高效的发光,但是目前蓝光QLED仍存在内量子效率不高、稳定性较差、性能不足等问题需要解决,其研究尚处于实验室研发阶段。由于QDs的尺寸接近或小于激子玻尔半径,因此调节QDs的尺寸能够展宽其带隙,进而实现纯正的蓝光发射,但是蓝色QDs的宽带隙属性会对器件的性能造成阻碍。宽带隙的蓝色QDs加大了空穴传输层(HTL)与QDs界面处的空穴注入势垒,造成空穴注入效率下降,但是充足的空穴注入是获得高性能蓝光QLED的基本前提。因此分析基于不同HTL构筑器件的载流子动力学之间的差异,并选择能够提供较高空穴电流的HTL是提升蓝光QLED性能的基础。蓝色QDs的宽带隙属性还改变了QD/ZnO界面处的电荷转移行为,进而影响QDs中激子的辐射复合以及器件中的电子传输。在QD/ZnO界面处存在QDs中的电子经过界面向ZnO纳米颗粒(NPs)自发转移的载流子行为,这一行为会导致QDs中的激子解离并且改变QDs的带电状态进而引起荧光闪烁。蓝色QDs更宽的带隙加强了电子自发转移行为,更严重的激子解离和荧光闪烁会降低QD层中载流子进行辐射复合的比例,进而降低器件的内量子效率。另外在QD/ZnO界面处还存在QDs中的空穴向ZnO NPs间隙态转移的行为,这会对ZnO薄膜的电学性质产生影响。在ZnO NPs表面存在物理或化学吸附的氧分子,QD/ZnO界面处空穴转移被减弱会导致化学吸附氧的数量增多,进而在ZnO表面形成耗尽层甚至可能造成能带弯曲,阻碍载流子传输的同时降低器件的发光亮度。基于以上分析,本论文从以下三方面开展研究:(1)不同空穴传输层的蓝光QLED中的载流子动力学分析蓝光QLED中空穴传输层的选择存在一定争议,为获得更高的外量子效率或更高的亮度,常使用不同材料用作空穴传输层。不同的器件电学性能反映的是器件载流子动力学之间的差异。因此,首先分析了不同空穴传输层的电学性质以及将其用于蓝光QLED时器件中载流子动力学的差异。通过分析器件的电学特性可知PVK较低的迁移率大幅增加了空穴的注入电压并且限制了空穴电流的电流密度,另外其化学结构中不稳定的C-N键会导致材料在器件持续工作时失去半导体特性,使其难以被用于实际应用中。相比之下TFB材料的化学结构更加稳定,空穴能够更早注入器件发光层,而且纯空穴器件对比证明其更高的迁移率能够为器件提供更高的空穴电流,这为提升器件整体性能提供了必要的支持。因此,从实际应用的角度选择TFB作为空穴传输层,并在此基础上对蓝光QLED的QD/ZnO界面进行修饰,以缓解此界面对器件性能造成的损坏。(2)TEOS修饰ZnO作为电子传输层的QLED的器件构筑及性能研究为抑制ZnO表面氧吸附位点在QD/ZnO界面处引起的荧光猝灭并缓解化学吸附氧所可能引起的能带弯曲,使用TEOS钝化了ZnO NPs表面的ZnO(OH)x氧吸附位点。合成了一系列不同TEOS修饰量的ZnO NPs,记为S-ZnO。随后构筑了以S-ZnO作为电子传输层的蓝光QLED器件,并对其电学特性进行了研究。通过TEM、XRD、FT-IR、UV-vis、PL、XPS、UPS和电化学等测试数据分析,结果表明:TEOS成功对ZnO进行了表面修饰且使氧吸附位点总量减少,抑制了ZnO NPs表面缺陷对QD层的荧光猝灭;ZnO NPs表面氧吸附位点的减少缓解了QD/ZnO界面处化学吸附氧所可能引起的能带弯曲,提升了蓝光QLED的发光性能。基于S-ZnO为电子传输层构筑的蓝光QLED,其最佳EQE为9.22%,比对照器件提高了37.31%;最高亮度为16560 cd m-2,比对照器件提高了56.8%。(3)氨基修饰ZnO作为电子传输层的QLED的器件构筑及性能研究针对ZnO(O2)y氧吸附位点在ZnO表面缺陷中占据的更高比例,选择使用氨基对其进行修饰,更大程度缓解QD/ZnO界面处的问题。合成了一系列不同氨基修饰程度的ZnO NPs,记为N-ZnO。随后构筑了以氨基修饰的ZnO NPs作为电子传输层的蓝光QLED,并对其电学特性进行了研究。通过TEM、XRD、FT-IR、UV-vis、PL、XPS、UPS和电化学等测试数据分析,结果表明:氨基成功对ZnO进行了表面修饰且使ZnO NPs表面的ZnO(O2)y氧吸附位点减少,抑制了ZnO NPs表面缺陷对QD层的荧光猝灭,因此提升了QLED的外量子效率;ZnO NPs表面氧吸附位点的减少缓解了QD/ZnO界面处化学吸附氧所可能引起的能带弯曲。以N-ZnO为电子传输层构筑的蓝光QLED,其最佳EQE为12.26%,比对照器件提高了一倍;最高亮度为19240 cd m-2,比对照器件提高了59.5%。本论文的研究将有助于提升蓝光QLED的器件性能以推动补足QLED原型器件的性能短板,并启发对蓝光QLED器件物理的理解,为实现高性能的蓝色量子点发光器件提供理论基础和材料支撑。
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