量子点电致发光器件中载流子动力学的研究

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由于无机半导体材料量子点(QDs)具有色域广、单色性好以及物理化学性质稳定等优点,基于无机量子点发光材料的发光二极管(Quantum dots Light-Emitting Diodes,简称QLED)被认为是潜在的下一代半导体显示技术之一。至今,已经有很多报道通过优化量子点材料或器件结构的方式将红、绿、蓝光QLEDs的外量子效率(External quantum efficiency,简称EQE)提高到20%以上。然而,在常见的有机-无机杂化器件结构中,人们很难避免的问题之一就是由于电荷传输层迁移率不同及能级不匹配等问题导致的载流子注入速率不同,从而在器件中发生非辐射俄歇复合过程,这严重影响了器件的性能。目前,人们对量子点的光电性质以及器件的工作机制仍然缺乏足够深的理解,这限制了对器件的进一步优化以及应用进展。因此,为了探究QLED的工作机制,我们通过理论模拟与实验相结合,揭示了器件的载流子动力学过程。在本论文中,我们主要利用瞬态电致发光光谱技术(Tr EL)研究了具有不同结构的QLEDs中的载流子动力学过程,通过调控器件结构,探究了载流子的注入、输运、分布以及复合对器件性能的影响,并通过对郎之万复合模型进行修正,最终理论与实验结果一致,进而进一步揭示了不同俄歇过程对器件的影响。本文的主要工作如下:1.制备了三种具有不同电子迁移率的电子传输层(electron transport layers,简称ETL)的倒置QLEDs,电子传输层分别为:Zn O,Ti O2,poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS)。通过分析器件的光电特性,研究了不同电子传输层对器件工作机制的影响。根据电子和空穴注入量子点的速率不同,即载流子先后注入的行为,我们优化了基于郎之万复合模型的载流子速率方程,通过对上述器件的Tr EL曲线进行拟合,验证了我们理论模型的合理性。证实了电子注入到带正电的量子点的效率要低于空穴注入到带负电的量子点的效率。而双电子-单空穴的形式的俄歇复合过程(eeh类型)的复合效率要远低于双空穴-单电子形式的俄歇复合过程(ehh类型)。鉴于Ti O2作为ETL的QLED性能远低于基于Zn O为ETL的器件的性能,我们在QDs和空穴传输层(hole transport layers,简称HTL)之间加入空穴阻挡层(1,3,5-Tris(1-phenyl-1H-benzimidazol-2-yl)benzene)(TPBi)后,器件性能得到了大幅度提升。通过对Tr EL曲线的拟合以及电容特性分析,证实了平衡的载流子注入提升了器件的性能。此外,量子点发光层中注入足够多的电子,更有助于器件性能的提升,而量子点带正电不利于器件性能的提升。2.通过在4,4’,4’’-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine(TCTA)中引入TPBi空穴阻挡层调控了基于Zn O的倒置杂化器件中的载流子分布,并利用Tr EL技术分析了器件中的载流子分布与载流子动力学过程的关系。载流子的分布与Tr EL上升沿和下降沿的过冲密切相关,上升沿过冲来源于少子空穴在器件中的积累,而下降沿的过冲是由于泄露的电子在反向偏压驱动下传输回到QDs中并与空穴复合的过程。空穴阻挡层TPBi加在QDs/TCTA界面可以有效地降低空穴的注入,降低QDs中空穴对激子的猝灭作用,有助于器件性能的提升。但是,TPBi的加入增加了电子的泄露过程,不利于器件性能的提升。然而,TPBi加在TCTA中间可以同时有效地降低空穴的注入以及电子的泄露,大幅度提升器件性能。该结果证明了降低ehh类型俄歇复合以及降低电子的泄露过程均有助于提升器件峰值效率。3.通过对比不同厚度空穴传输层的倒置QLEDs的开启时间td,发现了HTL厚度与开启时间td不成正比关系的反常现象。通过原子力显微镜(AFM)对薄膜的形貌表征及器件中载流子输运过程的分析,证实这一反常现象是由于HTL较薄时,薄膜粗糙度对空穴注入过程的影响导致的。具体来说,当HTL的厚度在100nm以下时,薄膜的粗糙度随厚度的增加而增大,这会导致优先的空穴注入通道的形成,从而发生厚度越大,空穴注入越快(即开启时间td越小)的现象。此外,通过测量器件开启时间td与器件面积的对应关系(器件面积越小,开启时间越短),证实了ITO电极的台阶效应对空穴注入的影响。基于上述器件工作机制,通过优化载流子传输时间、传输距离以及电场强度的计算,发展了基于Tr EL技术的空穴迁移率表征的方法。利用此方法更加精确地计算了TCTA有机薄膜的空穴迁移率。该研究对器件中的载流子输运过程提供了直观的理解。
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