卤化铯铅钙钛矿量子点电致发光器件的研究

发布时间：2020-06-11 20:55

【摘要】：钙钛矿量子点作为一种新型量子点材料,其发光波长在可见光波段可调、荧光光谱线宽窄,并且荧光量子效率高达90%,这些优异的发光特性使钙钛矿量子点成为在显示和照明领域最有应用前景的材料之一。我们合成了一系列不同带隙的全无机钙钛矿量子点(CsPbX_3,X=Cl,Br,I),并对其在电致发光二极管(light emitting devices,LED)中的应用展开了研究。在本论文的研究初期,钙钛矿量子点LED的报道非常少,电致发光的亮度和效率很低。除此之外,相对于传统量子点,钙钛矿量子点稳定性较差。基于上述问题,本研究以提升CsPbX_3量子点材料稳定性及其发光二极管工作性能为目标,从材料合成和器件结构两个方面提出解决方案,设计实验,并取得较理想的成果。以下是对研究内容的具体介绍。(1)量子点的表面配体组分和密度对其光电性质至关重要。在合成CsPbBr_3量子点的过程中,引入新的配体结构,进而实现对量子点表面配体组分和配体密度的调控。经过表面配体调控的CsPbBr_3量子点,其光电性质获得了明显改善,主要表现为:由于表面配体与量子点表面原子结合更加紧密,表面缺陷态也得到有效钝化,量子点溶液的放置稳定性得到改善,同时溶液的荧光量子效率由70%提升到96%;另外,表面有机长链配体密度的降低,也使得量子点薄膜具有更好的导电性。将经过表面调控的CsPbBr_3量子点应用于电致发光二极管器件,相比于未经表面调控的器件,发光性能得到明显增强,外量子效率提高了将近4倍。(2)在电子传输层ZnO纳米晶薄膜和发光层CsPbBr_3量子点之间引入Mg掺杂的ZnO(MZO)薄膜,优化了界面稳定性。通过研究不同浓度Mg掺杂ZnO薄膜的性质,我们发现Mg掺杂减少了ZnO纳米晶表面氧空位的密度,避免了ZnO表面吸附大量水氧分子导致对钙钛矿量子点的破坏,增强了薄膜的空气稳定性。同时,Mg掺杂使ZnO薄膜的禁带宽度得到展宽,导带能级上移,界面势垒降低,有效促进电子注入到发光层,从而提升了LED器件的电致发光亮度和效率。(3)我们利用聚乙烯亚胺(PEI)对CsPb(Br/I)_3量子点薄膜进行后处理。通过对后处理的薄膜进行一系列表征分析,我们发现钙钛矿量子点的绝对荧光量子效率以及荧光辐射寿命都得到了显著提高,证明PEI对量子点薄膜表面缺陷有钝化作用,减少了电子在传输过程中的损失。另外,PEI界面层对CsPb(Br/I)_3量子点的充电现象有一定的抑制作用,而且PEI界面可以提高ZnO的功函数,降低电子注入势垒。通过对PEI层和量子点的厚度进行优化,最终制备的LED器件的外量子效率达到6.3%。另外,基于这样的器件结构,通过改变发光层中钙钛矿量子点的卤素组分,我们制备了红绿蓝三颜色的电致LED器件。(4)我们将叠层透明电极MoO_3/Au/MoO_3应用于钙钛矿量子点LED器件结构,制备了双面发光的电致LED器件。经过对叠层结构中各层厚度的连续微调,LED的空穴注入过程得到增强,并在不牺牲LED电致发光的前提下将透明度最大化,最终,整个透明LED器件在可见范围最高透过率为58%,而且双面发光的光谱几乎完全一致,证明了该材料在透明发光器件领域应用的潜力。总之,我们从材料和电致发光器件结构两个角度出发,改善了钙钛矿量子点材料及其LED器件的性能,并拓展了器件的应用范围。
【图文】：

能级结构,器件结构,代表性,活性层

图 1.3 （A）LED 的代表性器件结构；（B）相应的 LED 的能级结构图。本图引自[16]。Figure 1.3 (A) Representative device structure of the LED; (B) Energy level structurediagram of the corresponding LED. This image is taken from ref[16].LED 的活性层就是产生光的地方，即注入的电子和空穴相遇并辐射发光的位置。不同类型的 LEDs 中应用不同的活性层结构：如上述我们提到的 OLED，活性层是由一个窄带隙材料-宽带隙材料组成的，两种材料形成了主体-客体结构；量子点 LED 的活性层通常由量子点薄膜形成；而钙钛矿 LED 则由不同结构的钙钛矿半导体薄膜形成。在本论文中，我们主要研究以钙钛矿量子点薄膜为活性层的 LED 器件。1.2.2 电子和空穴的复合机制半导体中电子和空穴的复合机制可以分为两类：直接复合和间接复合。

能级图,间接带隙半导体,直接带隙半导体,直接复合

图 1.4：（a）直接带隙半导体的能级结构图和直接复合过程；（b）间接带隙半导体的能级图和复合过程。本图来自于引文[17]。Figure 1.4 Energy level diagram and direct recombination process in (a) directbandgap semiconductor and (b) indirect bandgap semiconductor. This figure is takenfrom ref[17].间接复合：与直接带隙半导体不同，间接带隙半导体中，导带最小值与价带最大值不在k 空间的同一位置，而 k 向量的不同意味着其动量不相同。在这类材料中，为了满足动量守恒和能量守恒的原则，导带底和价带顶部之间的跃迁过程通常包含声子的吸收和发射，而电子、空穴、声子三粒子参与，降低了其复合效率。间接复合的另一种形式是在材料体系中引入额外的掺杂中心，形成浅陷阱能级，，俘获局部载流子，从而实现与另一类型的载流子动量相同。这类浅能级态通常称为复合
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN383.1;O471.1

【相似文献】