论文部分内容阅读
金属卤化物钙钛矿材料得益于其优异的光电性能、低成本的材料来源和制备流程,成为显示和照明领域有力的候选材料之一。由于量子限域效应/介电限域效应的存在,低维钙钛矿有较大的激子结合能和高的荧光效率,目前高效的钙钛矿发光二极管(light-emitting diode,LED)器件均以低维钙钛矿为发光层,部分性能已经接近有机发光二极管(Organic LED,OLED)。然而对钙钛矿LED实际显示应用的探索仍缺乏关注。此外,钙钛矿LED在工作状态下稳定性较差,即使在100cd/m2的低亮度下,工作半衰期也仅有100小时左右,与已商业化的OLED相差甚远。影响钙钛矿稳定性的因素有很多,如器件工作过程中产生的焦耳热,器件在电场诱导下发生的离子迁移以及大气环境中的水氧侵入等。这些因素最终都会导致发光层的降解以及器件的恶化。基于以上问题,本论文通过替换氧化铟锡(ITO)玻璃衬底/电极为晶硅衬底/电极,应用水氧稳定性好和高荧光效率的准二维钙钛矿作为发光层,解决了铟、锡元素的扩散问题,同时由于晶硅衬底极佳的导热性能,器件工作过程中产生的焦耳热问题得以解决。器件在高电流密度注入下的稳定性得到大幅度提升,效率滚降(roll-off)现象得到抑制。通过添加适合的背电极钝化层和调控电荷传输平衡,硅基底钙钛矿LED的效率和亮度提升至目前报道最高值。此外,本论文对钙钛矿LED的显示应用进行了初步探索,实现了硅基底器件的动态与静态显示。本论文主要内容如下:1.将p型单晶硅(c-Si)衬底与水氧稳定性较好的准二维CsPbBr3钙钛矿相结合,制备一种新型的硅衬底顶发射钙钛矿LED。其中p型硅作为空穴注入层,聚乙烯基咔唑(PVK)作为空穴传输层,抗水性佳和高荧光强度的准二维钙钛矿作为发光层,1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)作为电子传输层,并设计顶电极实现透明度和导电性的平衡。基于该结构的器件获得了 0.026%的外量子效率和1000 cd/m2的亮度。为了提高器件效率,通过引入硅衬底的超薄自然氧化硅层,减缓了过快的空穴注入速率,电荷注入失衡情况得到改善,最终器件的开启电压从4.1 V降低至3.5 V,外量子效率提升至0.15%,为无氧化硅层器件的5.9倍。2.通过引入空穴传输材料聚(9,9-二辛基芴-co-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)作为空穴注入的缓冲层,实现了电子和空穴注入最终的平衡,此外TFB作为硅衬底的背底钝化层,减少了表面缺陷,使得最终器件的外量子效率提高至2.12%,最高亮度可达2500 cd/m2,均为目前硅衬底钙钛矿LED的最高值。此外,我们探测了器件表面温度随工作时间的变化。得益于硅衬底优异的散热性能,器件在不同水平的电流密度下均表现出均匀的温度分布,在300mA/cm2的高电流密度下,器件表面温度仅比环境温度高5℃,远低于以ITO玻璃为衬底的器件。低的工作温度有利于器件工作寿命的提高,在100 mA/cm2的高电流密度下半衰期为17分钟,并且在ITO玻璃衬底器件中明显的效率滚降现象得到明显抑制。3.为了探索钙钛矿LED的显示应用,我们搭建了硬件平台并开发了实现动态显示的软件程序。通过设计七个独立硅基底器件的顶电极形状及相对位置和软件控制不同器件的导通状态,展示了器件的动态显示。由于器件结构设计合理,显示过程表现出低延迟、高亮度等优点。此外,同样的七个器件实现了商业应用中其他方面的显示功能。静态图案显示亦被成功展示,通过设计顶电极形状实现简单图案展示,运用喷墨打印技术将钙钛矿图案化,最终实现了在较为复杂图案基础上的从小尺寸(1 cm×1.5 cm)到大尺寸(4.5cm×5 cm)的展示,图案分辨率为200dpi(点每英寸)。