量子点发光二极管载流子注入和激子形成区域调控研究

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量子点(Quantum dots,QD)由于其荧光产率高、吸收光谱宽、发射光谱窄、发射光谱可调、可溶液加工等特点,而在显示领域具有广阔的前景。近年来,基于电致发光原理的量子点发光二极管(Quantum dots light-emitting diodes,QLED)取得了较大的进展,但目前QLED器件仍然存在载流子注入不平衡、高电流下效率滚降、器件稳定性较差,以及部分QLED器件的工作机理仍然没有明确、统一结论等问题,制约了QLED技术发展和产业化进程。本文针对QLED中载流子注入不平衡、非辐射跃迁严重的问题,探讨了通过小分子材料的引入来提升全溶液加工QLED器件的发光效率的可能性。由于有机小分子材料具有较高的电子/空穴迁移率与较匹配的注入势垒能级,高效率的发光特性以及材料选择广等优势,我们利用有机小分子材料来修饰QLED器件的功能层以及发光层(Emission layer,EML),从而对QLED中载流子传输以及复合过程进行调控。4,4’-cyclohexylidenebis[N,N-bis(p-tolyl)aniline](TAPC)是一种具有高空穴迁移率和浅HOMO能级的有机小分子材料,在有机发光二极管中被广泛用作空穴传输材料。我们将TAPC与红光Cd Se/Zn S量子点共混,作为红光正装QLED的发光层,以调控发光层中的载流子注入,器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PVK/QD:TAPC/Zn O/Al。针对溶液加工工艺,探究了能够将TAPC与QD共混并制备出形貌良好的薄膜的溶剂体系,发现将正辛烷与邻二甲苯作为EML材料的溶剂可以保证EML薄膜的质量,且不会侵蚀下层的PVK薄膜。在EML中掺杂不同质量比的TAPC后红光正装QLED的电流密度、亮度、电流效率(Current efficiency,CE)和功率效率(Power efficiency,PE)均有明显的提高,其中基于QD:TAPC(3.2 wt%)EML的红光器件的CEmax从15.3 cd/A提升到20.0 cd/A,提升了30%;器件的PEmax为16.6 lm/W,相比标准器件(10.5 lm/W)提升了58%。通过对薄膜能级的表征分析,我们发现TAPC的掺杂可以使得EML能带上移,从而调节EML中的载流子平衡。EML中空穴注入的增强直接促进了EML中的载流子复合和辐射跃迁;电子浓度的下降则可以抑制非辐射跃迁过程,使得更多激子可以有效发光。热激活延迟荧光材料可以利用小的单线态与三线态能隙将三线态激子转换为单线态激子,从而提高激子的利用率。因此我们在PVK中引入了小分子蓝光热激活延迟荧光材料Penta-carbazolylbenzonitrile(5Cz BN),制备了器件结构为ITO/Zn O/QD/PVK:5C z BN/PMA/Al的红光全溶液倒装QLED器件。当PVK:5Cz BN的混合比例为10:3时,倒装红光QLED的开启电压从2.7 V下降到2.5 V,CEmax和PEmax提高到15.5 cd/A和12.5lm/W,相比标准器件分别提高了57%和119%;最大亮度为90664 cd/m2,相比标准器件提高了195%。器件性能提升主要有以下几个原因,一是5Cz BN的引入可以使得HTL薄膜表面更加平整和均匀,二是PVK/5Cz BN/PMA形成的阶梯式能级有效促进了空穴的注入。另外5Cz BN的深LUMO能级可以捕获EML中的过量电子,抑制了QD的充电;空穴和电子可以在5Cz BN中复合形成激子,使得激子的形成区域进一步延展到HTL中,HTL中的激子通过能量转移传递给QD,进一步增强了QD的发射。
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