基于溶液法电致发光器件中载流子及激子复合区域调控的研究

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基于电致发光的有机发光二极管(OLEDs)和量子点发光二极管(QD-LEDs)凭借其自发光、响应速度快、对比度高、可柔性化等特点在显示与照明领域大放光彩。在此类含有多功能层薄膜的器件中,采用溶液法的成膜方式可简化制备工艺,降低生产成本,并且有助于实现大尺寸化。但是目前基于溶液法的OLEDs与QD-LEDs仍然普遍存在发光效率低、驱动电压高以及稳定性差等问题,并且关于QD-LEDs的部分工作机制仍没有明确的结论。针对这些问题,本论文基于溶液法的OLEDs与QD-LEDs,从器件的结构设计、功能层材料的选择以及器件制备工艺的优化等角度,研究载流子的注入与传输特性,促进发光层中载流子的平衡以及合理调控激子的复合区域,实现包括发光效率、效率滚降以及发光颜色等发光性能的提升。论文的主要研究成果如下:1)针对磷光OLEDs中基于溶液法主客体掺杂的发光层结构,论文采用具有较高纯度、三重态能级以及化学稳定性的小分子材料作为主体。相对于聚合物主体,空穴传输型的小分子具有较高的空穴迁移率并且其与客体间的能量转移更有效。但是由于空穴注入到发光层的能垒较大,器件的驱动电压偏高。对此,在发光层中引入另一最高占据分子轨道(HOMO)能级更高的空穴传输型的小分子构成混合主体以促进空穴的注入。通过调节此空穴传输型混合主体的组成比例,进一步增强载流子的平衡并拓宽激子的复合区域,使得器件在获得低驱动电压和高发光效率的同时,其效率滚降也得到有效改善。2)针对QD-LEDs中因空穴相对于电子注入至量子点较为困难,进而限制器件发光效率的问题,论文将量子点掺杂于空穴传输型的聚合物中构成混合发光层,利用聚合物的能级特性以及其与量子点间的能量转移实现量子点的发光。为抑制基于此混合发光层的器件中微弱的来自电子传输层的发光,在发光层与电子传输层之间引入具有较高电子迁移率,较强空穴阻挡性的TmPyPB作为缓冲层,促进了电子传输至发光层并同时阻挡空穴越过发光层,进而在发光层形成更多的激子。器件的发光颜色纯度得到有效改善,最大外量子效率比参考器件提高了一倍。3)为了改善载流子在量子点发光层中的平衡,论文首先利用聚合物材料TFB优越的溶液法成膜特性,以及小分子材料CBP较低的HOMO能级以及适中的空穴迁移率,将两者以一定的比例混合作为空穴传输层,并在发光层与电子传输层之间引入缓冲层适当削弱电子注入,有效增强了空穴的传输以及载流子的平衡,提升了器件的发光效率以及发光颜色的纯度。其次,基于ZnO电子传输层实现全溶液法的QD-LEDs,并研究发现由于聚合物空穴传输层TFB相对于PVK的HOMO能级较高,空穴积聚在TFB与量子点发光层界面,进而引发激子以非辐射的俄歇复合辅助空穴注入,使得器件在低电压下具有较大的电流密度以及较低的开启电压,但其发光效率却明显低于PVK单独作为空穴传输层的器件。最后,采用具有价格低、易溶液法成膜、稳定性好、透光率高等特点的无机的磷钼酸PMA作为空穴注入层,研究不同的制备条件对其注入性能的影响,最终获得比传统的PEDOT:PSS更强的空穴注入能力,器件的开启电压从4.4 V降至2.7 V,最大功率效率提升了65.4%。4)在倒置型结构的QD-LEDs中,论文研究了具有不同能级与载流子迁移率的小分子空穴传输层对器件光电性能的影响。结果表明因空穴传输层TAPC较高的HOMO能级而产生的俄歇辅助空穴注入以及其较强的电子阻挡性,使得器件的开启电压大幅降低并且发光效率更高。在此基础上,在TAPC与空穴注入层MoO3之间引入具有超低的最低未占据分子轨道(LUMO)能级以及吸电子能力的HATCN薄层,由于TAPC易将电子转移给HATCN从而产生更多能近乎自由移动的空穴,空穴注入与传输性能得到进一步增强,有效提升了量子点发光层中载流子的平衡并降低器件的工作电压。相应器件的最大功率效率达到26.2 lm/W,比未加插层的参考器件提高了50%。
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