量子点电致发光器件与显示研究

发布时间：2020-03-24 21:52

【摘要】：量子点电致发光二极管(QD-LED)由于发光色纯度高、发光波长可调和溶液加工特性,使其在平板显示方面应用前景广阔。高效率、长寿命QD-LED以及全彩化集成技术是量子点显示屏的基础,研究QD-LED工作机理、老化机制和量子点薄膜图形化技术有助于推动量子点显示产业化。本论文首先系统地研究了倒装结构器件中空穴传输层特性对器件性能的影响,较大的空穴注入势垒导致空穴在QD/HTL界面积累和激子复合中心向界面移动,而界面处积累的电荷会淬灭激子,降低器件性能。采用双层空穴传输层,形成空穴梯度注入,减小注入势垒同时改善载流子平衡,器件外量子效率由4.0%提升到了9.7%。在此基础上,我们采用深HOMO能级的蓝光聚合物PFSO作为倒装红光QD-LED器件的空穴传输层,实现了11.8 cd/A的电流效率。同时,我们设计并制备了PFSO作为QD-LED的空穴传输层与蓝光OLED的发光层的杂化器件,实现了红光与蓝光的同时发射,丰富了全彩显示的器件结构。喷墨打印技术被认为是制备大尺寸QD-LED显示屏的可行技术,但是量子点墨水配制和干燥薄膜特性研究报道较少。我们自主研制了可稳定喷墨打印的量子点墨水,并且系统地研究了墨水流变性质、基板表面性质对液滴干燥形貌的影响。发现加快液滴干燥速率和增强量子点与基板的相互作用可以有效地抑制“咖啡环”效应,最终采用喷墨打印方法制备了厚度均匀的量子点薄膜。结合金属氧化物TFT背板,采用喷墨打印技术制备了2-inch、120 ppi的全彩色量子点电致发光显示屏,显示色域达到了109%NTSC标准,为喷墨打印制备大尺寸量子点显示屏提供了有益的参考。采用无机ZnO和磷钼酸PMA组成连接层,溶液加工制备了高效率叠层白光QD-LED器件。得益于连接层优异的溶剂阻挡能力、可见光范围内高透过率以及高效率的载流子注入和传输能力,制备的叠层红光QD-LED工作电压、电流效率、亮度均与理论值一致。红、绿、蓝QD-LED叠层白光器件在亮度为100000 cd/m~2时得到最大电流效率60.4 cd/A和最大外量子效率27.3%。此外,叠层白光器件在10000 cd/m~2-100000 cd/m~2的亮度范围内均能达到20%的外量子效率。叠层白光QD-LED结合滤色片,可以输出124%的NTSC显示色域,展示出作为新一代显示屏背光源的巨大应用潜力。无论是喷墨打印AMQLED显示屏还是叠层白光QD-LED均展现出巨大的应用潜力,但是器件工作稳定性仍需进一步提高。我们研究了正装有机/无机杂化红光QD-LED器件老化机制。发现器件在恒流模式下老化过程分为两个阶段:第一阶段QD/HTL界面黏附力增强,空穴注入增强,平衡了载流子,使得器件在老化初期亮度不断提高;第二阶段器件亮度不断降低,可能由于量子点在工作时表面配体脱落导致薄膜荧光量子产率不断降低。为此,我们提出配体交换策略,将表面的油酸等低结合能的有机配体置换为结合能力更强的硫醇配体,从而提高器件稳定性。
【图文】：

荧光光谱,量子点,高分辨率,荧光光谱

图 1-1 a）量子点的透射电镜图，插图为高分辨率图；b）不同量子点尺寸的荧光光谱[19]；c）Cd单核的吸收和荧光光谱[21]；d）表面钝化前后激子复合通道示意图[21]Figure 1-1 a) TEM image of quantum dots, inset: high-resolution TEM image; b) PL spectrum of quantudots with different size[19]; c) UV-vis absorption and PL spectrum of bare CdS core[21]; d) Schematicdiagram of exciton recombination in bare QDs and surface passivated QDs[21]核/壳结构量子点的光电性质可以通过核与壳半导体能级的相对位置调控，图 1出了不同半导体材料的能级结构[21]。根据核/壳材料相对能级结构，将核壳结构量子为 TypeI、TypeII 和反 Type I，如图 1-2b 所示[25]。TypeI 量子点中，壳半导体材料比核半导体材料带隙宽，这样电子和空穴的波函数被限制在发光核上，可以提高发率；反 Type I 量子点壳半导体材料带隙比核的窄，电子和空穴的波函数被离域到，通过控制壳厚度调控发光波长；TypeII 量子点中，，壳层半导体材料的导带底或价

示意图,能级结构,半导体材料

图 1-2 a）不同半导体材料的能级结构[21]；b）不同核壳结构的相对能级示意图[25]Figure 1-2 a) Energy level of various semiconductors[21]; b) Relative energy level of different core-shestructures[25]例如，CdSe/CdS 被广泛用于制备高性能 QD-LED 器件，但是 CdSe 和 CdS 两者带能级差非常小，导致电子离域在整个量子结构中[27]。而通常需要较厚的 CdS 壳层量子点的俄歇复合过程，但是壳层厚度增大之后，电子的离域半径增大，而空穴依限制在核层中，电子、空穴比函数重叠较小，复合效率反而降低。因此，有些量子用 ZnS 作为外层钝化层，但是 ZnS 与 CdSe 的晶格失配度为 12%，产生了晶格应力降低量子点的荧光量子点产率[28]。为了减小核/壳之间的晶格失配，采用梯度合金结壳层可以减缓晶格之间的不匹配[29-32]。 Bae 等人采用 CdSe/Zn1-xCdxS 结构量子点研究了合金 Zn1-xCdxS 壳层厚度对器件的影响[30]。通过控制元素分布调控能级，将
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TN383.1

【参考文献】