量子点表面烷基溴化铵配体工程及其对QLED性能影响研究

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量子点(QDs)由于具有宽吸收窄发射峰且发光峰位通过改变材料生长粒径连续可调等优势,被应用到显示领域的量子点发光二极管(QLED)中,有望成为新一代显示与照明技术。QLED器件底出光结构一般是由阳极、空穴注入层(HIL)、空穴传输层(HTL)、QDs发光层(EML),电子传输层(ETL)、阴极组成。其中调控电子和空穴注入平衡形成激子以辐射复合发光,以及EML与载流子传输层(CTL)之间界面处载流子的注入和在QDs层中载流子的传输是影响QLED效率和稳定性的主要因素。同时改善EML与HTL和ETL两者之间的界面通常可以采用配体交换的方法对QDs表面性质进行改性,来改善界面载流子的注入和传输。目前研究进展里尽管已经发现配体交换链长引起的空间位阻和链长短造成的福斯特能量共振转移会对QDs的配体交换和性质产生影响,但对烷基溴化铵配体链长长短造成QLED器件中性能变化机制并没有进行深入的探究。并且对器件中载流子的注入和传输动态平衡及电流出现的类型进行分析时,关于器件中的载流子注入和传输形成的电流路径也不尽详解。本论文通过对QDs进行烷基溴化铵配体交换并且对配体链长、浓度和反应时长对QLED的性能影响进行研究,以探索配体交换改变QDs发光性能的具体原因,同时获得了导电性和内量子效率较高的QDs;并且对器件中注入传输过程中电流的产生来源进行了详细探索和分类,结合配体交换改性的QDs设计了更为合理界面接触的器件结构,改善了载流子的注入平衡和其在器件中的传输性能,获得了高性能的绿色QLED器件。具体研究内容如下:(1)绿色QDs表面烷基溴化铵配体交换及其性能影响研究为了获得更高的器件内量子效率,通过配体交换对QDs表面缺陷位点进一步钝化来提升其发光效率。为了促进载流子在器件中的注入和传输来提高器件性能,采用导电配体烷基溴化铵改善QDs的表面实现导电性增强。优化了烷基溴化铵配体的链长,来阻止交换过程中福斯特能量共振转移导致的非辐射复合和表面缺陷态导致的激子猝灭,获得双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)配体QDs的性能最佳。随后优化了DDAB配体的反应浓度和反应时长,并通过二阶导光谱精细化分析QDs和表面配体的优化机理。通过红外吸收光谱(FT-IR)羧酸基团的振动峰的变化以及X射线光电子能谱(XPS)测试的Br元素含量变化,确保了有效进行了配体交换。测试了配体交换前后紫外光电子能谱(UPS)和吸收获得最佳条件的能级变化,改善了载流子注入QDs水平并分析了原因;测试荧光光谱和光谱寿命,获得有效钝化缺陷和调节QDs之间距离抑制非辐射复合的QDs,实现发光性能提升;测试透射电子显微镜(TEM)和薄膜的原子力显微镜(AFM),证明QDs粒径和成膜形貌没有改变;测试薄膜的导电原子力显微镜(C-AFM),获得导电性从77.3 p A上升到1.59 n A,导电性良好的QDs,进一步验证了配体交换的成功。(2)表面配体对绿色QLED的载流子注入和传输动态平衡影响研究为了研究绿色QLED的载流子注入和传输动态平衡中其输运路径与变化,首先对绿色QLED进行了电荷传输层的厚度优化,随后研究了发光层浓度与转速的成膜状态对载流子的注入和传输造成的影响,通过构筑拥有不同浓度和转速条件的QDs发光层的器件,分析其J-V特性曲线,以及对不同浓度的QDs溶液成膜浸润性和不同条件等效器件性能效果的薄膜进行AFM成膜性分析,排除了电流随电压的变化是由于成膜性和浸润性差别所导致。结合J-V特性曲线的四个分区:欧姆区、陷阱空间电荷限制区(T-SCLCs)、陷阱填充区(TFL)和空间电荷限制区(SCLCs),以及阻抗的等效电路图和器件结构的能级示意图,将电流随着电压的变化在器件中分为四类电流:1.低电压下的经过QDs表面配体电阻和电荷传输层缺陷电阻的漏电流,以及经过QDs内部缺陷电容驰豫到电荷传输层的漏电流。2.在T-SCLCs区时出现的经过QDs的价带和导带进行复合发光的复合电流。3.在TFL区出现的由于过多载流子的注入引起的非辐射复合电流。4.SCLCs区出现的由于载流子弥补能级势垒导致电子(或空穴)可以自由注入到HTL(或ETL)对功能层造成不可逆转的破坏的击穿电流。此分类为器件的良好改性从源头上提供了指导,以此为基础结合表面不同配体状态的绿色QLED器件进行了J-V特性曲线、阻抗和稳定性分析,进一步验证了四类电流。并根据合理的载流子注入和传输,设计了双QDs发光层(6H/QD),有效平衡了电荷载流子的注入和传输,使得器件效率从14.62%提升到17.01%,器件亮度从185498.09 cd/m~2提升到236756.15 cd/m~2,转化为1000 cd/m~2亮度下的器件寿命T50从3592.5 h提升到7387.5 h。
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