基于量子点的组分和表面配体调控构筑低效率滚降的发光二极管

发布时间：2020-10-30 06:28

　　 溶液法合成的胶体量子点(QDs)由于具有色纯度高、发射光谱随尺寸连续可调、荧光量子产率高、热稳定和光化学稳定性强等特点,在生物医药、光电探测、新能源和照明显示等领域均显示出巨大的应用前景。特别地,近年来,量子点这些独特的光学性质使其在发光二极管中的应用受到人们越来越多的关注。随着量子点合成技术的不断改进、器件结构的不断优化以及人们对其物理机制的深入理解,器件的性能得到了极大地提高,特别是红色和绿色有机发光二极管(QLED)的器件性能已经能够和优质的有机发光二极管(OLED)相媲美。然而,目前所报道的高性能QLED器件,其最大外量子效率(EQE)随着电流密度(J)或亮度(L)的增加出现快速下降,即通常所说的效率滚降。滚降效应限制了器件实际可达到的亮度水平,并使其产生过多的热量,导致功耗增加,降低器件的寿命,进而成为制约QLED器件走向实际应用不可忽视的因素。研究表明,引起器件出现滚降效应的主要原因是非辐射俄歇复合。引起非辐射俄歇复合的原因主要有以下两个方面:一是量子点核和壳之间积累的晶格应力过大产生的界面缺陷;二是电子和空穴注入不平衡。因此,为了抑制俄歇复合,可以采用界面势垒更加平缓的合金结构量子点,并通过对量子点发光层进行表面配体调控提高电子和空穴的注入效率和注入平衡。基于上述考虑,本论文的主要内容包括以下两个方面:(1)基于CdSe_(1-x)S_x量子点的组分调控构筑低效率滚降的QLED。由于梯度合金结构量子点具有平缓的界面势垒,能有效抑制因晶格失配产生的界面缺陷。因此,我们通过系统的组分调控来降低量子点内部的俄歇复合发生几率。实验结果表明,当S:Se=8:1时,所获得的CdSeS量子点的荧光量子产率高达91%,色纯度高(FWHM=29 nm)、稳定性好且呈现单通道荧光衰减。更重要的是,S:Se=8:1时,俄歇寿命达到150 ps,是S:Se=3:1和15:1比例的3-5倍。在此基础上,我们研究了不同组分的CdSeS量子点对器件效率滚降的影响,结果表明,S:Se=8:1时,QLED器件的最大EQE为14.3%,最高亮度为91,540 cd/m~2,且在845-38,900 cd/m~2的较高亮度范围内,其效率仍能保持在峰值效率的70%以上,在电流密度达到220 mA/cm~2时出现效率滚降。而其他S:Se比的QLED在电流密度和亮度较小时即出现效率滚降,因此,当S:Se=8:1时,器件的滚降效应能够得到一定程度的抑制。基于此种合金结构的量子点构筑的QLED器件具有高效率、高亮度、低效率滚降等优异的性质,这种优异的性能是由于通过适当调控合金量子点的组分减少了晶格失配和缺陷补偿引起的晶格应力,抑制了非辐射俄歇复合,提高了激子辐射复合的效率,从而在一定程度上抑制了器件的效率滚降。(2)基于正丙硫醇配体修饰的ZnCdSeS量子点构筑高亮度、低效率滚降的蓝色QLED。由于量子点原本的长链油酸配体在薄膜中的绝缘性会增加载流子在发光层的传输阻抗,而正丙硫醇配体的烷基链远短于油酸配体,因此能提高载流子的注入效率;而且巯基作为供电子基团与量子点键合后会使量子点的价带能级向上移动,从而降低空穴注入势垒,提高空穴的注入效率。实验结果表明,正丙硫醇配体交换过后器件的电子和空穴的注入效率均有明显提高,且空穴注入效率提高的幅度更大,特别是在电压为5-7 V时电子和空穴的注入平衡提高了1.7-4.9倍。由于电荷注入平衡得到了提高,配体交换后器件的最大亮度为52,360 cd/m~2,在亮度为1,040 cd/m~2时,器件的EQE和电流效率达到最大,分别为9.9%和11.4 cd/A。值得注意的是,在100-10,000 cd/m~2的亮度范围内,效率仍然可以保持在峰值效率的75%。此外,与配体交换前的QLED(效率滚降出现在电流密度为155 mA/cm~2时)相比,配体交换后的器件其效率滚降提升到了540 mA/cm~2。因此,短链正丙硫醇作为配体在提高电荷注入和传输的同时,增强了高电压下电荷注入的平衡性,从而抑制了激子的非辐射俄歇复合,获得了高亮度且低效率滚降的蓝色QLED器件。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;O471.1
【部分图文】：

图 1-1 紫外光照射下不同量子点的发光照片[26]色纯度高：量子点的荧光发射光谱的半峰宽（FWHM）可以表示其色纯度。量子具有宽激发、窄发射的特点，其发射光谱窄而对称，FWHM 仅~ 20-30 nm，色纯度较高有利于宽色域显示[28]。光化学稳定性强：与有机荧光染料相比，量子点中无机材料固有的光物理稳定性其具有良好的光化学稳定性[29,30]，pH 值、温度、溶剂等因素对量子点的荧光光谱产的影响较小，且经过多次激发后不发生光漂白现象。因此，有利于将其应用于生物研等领域。量子点的表面配体可以降低其表面活性，防止量子点团聚，使用不同表面配体修量子点能够使其稳定分散在不同的有机溶剂中，因此量子点也具有可溶液加工的特[31]。另外，量子点还具有生物相容性好、荧光寿命较长等优点。由于量子点具有以上优越的性质，目前正被广泛应用于如照明和显示、太阳能电池

如图 1-2 所示，因此量子点发光二极管在照明和显示领域具有很好的发展和应用前景[26,32]。但与液晶显示屏（LCD）或 OLED 显示技术相比，QLED 技术的发展目前还处于起步阶段。因此，在深入了解 QLED 的关键突破和目前存在的瓶颈之前，有必要简要了解一下 QLED 的发光机理和发展历程。

图 1-3 QLED 器件的发光机理[26]性能的影响因素）是评价 QLED 性能的最重要的参数，它是 Q比，满足以下关系式[35]：EQE=γηradηout荷中所形成激子的比例，又称电荷平衡因子，关，通过选择合适的能带能级和高迁移率的功中发生辐射复合的激子的比例，通过调控量陷或邻近电荷传输层引起的激子猝灭能使其其受多层的折射率不同引起的全内反射（TIR的组成和结构及其荧光量子产率、电子和空穴其本征激子发光外，主要有以下因素影响其自
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本文编号：2862126