量子点发光二极管的大面积制备及二维材料在其中的应用

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量子点发光二极管(QD-LEDs)不仅具有色彩饱和度高、稳定性好、自发光、颜色易调等优势,而且可通过溶液法在柔性基底上进行大面积制备,有望成为新一代照明显示技术,在可穿戴电子、健康监测等领域都具有广阔的应用前景。但柔性QD-LEDs的大面积制备仍面临诸多挑战,其性能也有待提升。常用的旋涂法存在厚度梯度的问题,难以制备大面积薄膜,且溶液利用率低(<10%)。而其他的溶液加工方法,如喷墨打印等易受咖啡环效应的影响,难以获得大面积、均匀致密且表面平整的纳米级薄膜。此外,电荷注入不平衡也极大地影响了器件的性能。为解决上述问题,本论文发展了离心涂覆法实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备,并建立了二维MoS2/碳量子点和氧化石墨烯(GO)对QD-LEDs器件电荷注入/传输层进行修饰的方法,促进了器件电荷注入平衡,从而获得了高效率的QD-LEDs器件,取得的主要结果如下:(1)发展了离心涂覆制膜方法,实现了 QD-LEDs在柔性基底上的大面积制备。由于大的等效重力场环境和热辅助作用,离心涂覆法有效地降低了液膜厚度及其与基底的接触角,进而增加了溶剂挥发速率,有效抑制了由于溶质粒子迁移所引起的咖啡环效应。因此,利用离心涂覆法在柔性基底上实现了聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)、聚乙烯基咔唑(PVK)、ZnCdSe/ZnSeS/ZnCdS量子点和ZnO纳米晶等纳米级薄膜的大面积制备,溶液利用率高达61.2%,所得薄膜均匀致密且表面平整。在此基础上,利用离心涂覆法将这些薄膜逐层堆叠,制备出大面积、柔性QD-LEDs器件。叠层结构依然保持高的薄膜质量,且各层之间界面清晰、结合紧密。所得红色QD-LEDs最大电流效率(CE)、功率效率(PE)和外量子效率(EQE)分别为5.7 cd A-1、3.2 lm W-1和4.9%,与在空气中利用旋涂法制备的器件性能相当。最大发光面积可达~115 cm2,高出旋涂法制备柔性QD-LEDs器件面积的~300倍。同时,设计了程序控制系统,实现了被动矩阵红/绿光QD-LEDs的动态展示,器件表现出优异的弯折稳定性和发光均匀性。(2)发现并证实了探头超声由于超声空化效应所产生的局部高温高压会导致N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)等有机溶剂碳化生成碳量子点的现象。基于此,利用探头超声实现了混合MoS2/碳量子点的一锅法制备。由于MoS2量子点和碳量子点分别具有高的载流子迁移率和功函数,利用其对PEDOT:PSS空穴注入层进行修饰,可明显提高器件的空穴注入效率。MoS2/碳量子点的掺入量为0.2 mg mL-1时,QD-LEDs器件启亮电压由2.4 V降低至2.3 V,最大CE和EQE分别为25.7 cd A-1和17.6%,与PEDOT:PSS作为空穴注入层的器件相比分别提升10.3%和 17.3%。(3)通过溶剂置换的方法成功将水中分散的GO转移至乙醇溶剂中,获得了片径主要分布在1~5 μm的单层GO乙醇分散液,GO在乙醇中依然保持良好分散性和完整性。利用GO的绝缘特点和钝化作用,对ZnO电子传输层进行修饰有效地阻滞了电子注入和传输,解决了器件电子注入效率显著高于空穴的问题,促进了 QD-LEDs器件中的电荷注入平衡。GO掺入量为0.1 mg mL-1时,器件最大CE和EQE分别为34.1 cd A-1和25.3%,与ZnO作为电子传输层的器件相比分别提升36.4%和36.8%。同时,器件具有良好的发光均匀性和光谱稳定性。
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