量子点发光二极管材料与器件结构设计及电荷传输调控

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量子点(Quantum Dots,QDs)是一种准零维半导体纳米结构材料,近年来由于其优异的光学性能:高荧光量子产率(Photoluminescence Quantum Yield,PLQY)、发光色纯度高、发射波长可调等等,在太阳能电池、防伪标记、生物标记、发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)和电子显示等领域引起了人们广泛的关注。尤其是随着QDs光电应用技术的发展与完善,量子点发光二极管(Quantum Dot Light-emitting Diodes,QLEDs)的性能也在不断提高,甚至掀起了QDs技术及其光电应用的研究热潮,QLEDs被认为是最具潜力的下一代新型显示器之一。然而相关的技术水平距离商业应用仍有很大差距,器件电子/空穴注入不平衡问题已经成为限制进一步提高QLEDs工作效率和寿命的瓶颈。另一方面,目前的高性能QLEDs大多使用镉基量子点,然而镉基材料的重金属毒性使QDs技术的进一步商业化应用受到极大的环境限制。磷化铟量子点(In P QDs)因其无毒环保且荧光光谱覆盖范围宽而被视为镉基量子点有力的竞争者,但是In P QDs仍然存在很多缺点,尤其是较低的PLQY和较差的尺寸均一性极大地影响了In P QDs的发展和应用,而且In P QDs对高温的敏感性会使QLEDs器件结构的设计难度增大。因此,提高In P QDs质量和QLEDs性能是QDs技术大规模商业推广应用的关键,本文主要做了如下工作:1.首先以倒置QLEDs结构为基础,通过大量实验确定电荷传输/注入不平衡问题对QLEDs的性能影响很大,并找到器件电荷不平衡的根本原因是QLEDs的空穴注入效率明显低于电子注入效率。最后从薄膜厚度、能级匹配和载流子迁移率三个方向分析器件空穴注入效率低的原因,为促进QLEDs电荷平衡的研究奠定了基础。2.引入一种新型空穴传输层材料(1,3-bis(9H-pyrido[2,3-b]indol-9-yl)benzene,m Ca P),其具有较高的空穴迁移率和较深的最高占据分子轨道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)。将其直接应用于基本结构的QLEDs后,发现空穴注入层(Hole Injection Layer,HIL)与空穴传输层(Hole Transport Layer,HTL)之间的较大注入势垒会影响空穴注入,因此我们设计一种递进能级的双层HTLs来更好地使用这种新材料。基于深HOMO递进能级双层HTLs的QLEDs具有良好的能级匹配,可以有效提高空穴注入效率,从而显著改善了QLEDs的器件电荷平衡。最后基于深HOMO递进能级双层HTLs的QLEDs的最大电流效率(Current Efficiency,CE)和外部量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)分别达到41.2 cd A-1,12.6%,同时器件工作寿命提高了1.5倍以上,远远高于仅使用单层HTL的对照组器件。3.首先针对In P基核壳QDs的发光效率低和尺寸分布不均一的问题,利用In P QDs生长过程中魔幻尺寸团簇(Magic Size Cluster,MSC)的存在及其独有性质并结合合金过渡层减少核壳界面张力和缺陷,开发了新的In P QDs制备方案,合成出的In P/Zn Se/Zn S QDs具有高PLQY(81%)和36nm的发射峰半高宽(Full-Width at Half-Maximum,FWHM)。最后将In P QDs应用于QLEDs,制备出的In P-QLEDs显示出2230 cd m-2的最大亮度和3.6%的最大EQE。
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