溶液加工倒装量子点与钙钛矿发光二极管

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量子点发光二极管(quantum dot light-emitting diode,QLED)由于其色纯度高、发光峰可调、可溶液加工等优点被认为是下一代理想的显示器件。无毒高效的磷化铟(indium phosphide,InP)由于其环保引起了极大关注。最近新兴的钙钛矿发光二极管(perovskite light-emitting diode,Pe LED)由于其色纯度高、发光峰可调、可溶液加工、成本低廉等优势也引起了广泛关注。由于能级不匹配、迁移率过高以及猝灭严重的问题,ZnO不适合用于InP QLED中。为解决以上问题,本文以Zn Mg O代替ZnO作为电子传输层。在未恶化薄膜形貌和改变粗糙度的前提下,Zn Mg O由于具有更少的缺陷态,可减少对量子点发光猝灭,提高辐射复合的比例和延长平均激子寿命。Zn Mg O与InP的能级更匹配,降低了电子注入势垒,使得InP QLED的启亮电压从2.51 V降低至2.32 V,扩散电流区段的电流密度增加,同时由于猝灭减少,最大亮度从1.0×10~4 cd/m~2大幅度提升至1.3×10~4 cd/m~2,使得器件电流效率从4.03 cd/A提升至6.38 cd/A,分别提升了30%和60%。此外,进一步优化量子点层的厚度和退火温度分别为23 nm和90℃,电流效率进一步提升至10.44 cd/A,最大外量子效率(external quantum efficiency,EQE)为7.3%。在放置48 h发生正老化现象之后,器件的最大EQE可达8%。这归因于Zn Mg O中氧空位的比例从31.1%降低至27.8%,导致放置后其电子传输性质变差,电子电流密度降低。从材料体系和衬底的角度出发,选择了光学带隙更合适的对氟苯乙胺溴作为钙钛矿前驱体中有机铵盐的组分和接触角最小的聚乙氧基乙烯亚胺(polyethylenimine ethoxylated,PEIE)作为ZnO与钙钛矿层之间的界面层。同时,从薄膜光学特性、薄膜形貌和结晶等方面选择有机铵盐比例为125%的前驱体,并精确调控界面层PEIE的厚度至5 nm。为进一步使钙钛矿薄膜发光蓝移和细化晶粒,以氯苯作为反溶剂将钙钛矿薄膜的光致发光峰从481 nm蓝移至467 nm,半峰宽从98 nm减少至27 nm,提高了色纯度。同时,薄膜的荧光量子产率和平均激子寿命分别提高一倍、辐射复合比例提高,晶粒尺寸和薄膜形貌得到进一步改善,薄膜的激子结合能从114.77 me V提升至165.38 me V,量子限域效应增强。最终获得的倒装准二维蓝光Pe LED的最大亮度提升至418 cd/m~2,最大EQE提升至0.44%,相比最初条件提升了十倍。最终,使用元素分析的方法证明,底层的ZnO依然会逐渐扩散至钙钛矿薄膜,使其中的有机铵盐发生去质子化而分解,这是限制倒装准二维蓝光PeLED器件性能提升的原因。
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