钙钛矿量子点LED效率提升方法及其调制特性研究

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钙钛矿量子点由于其成本低、制备简单、发射线宽窄(<100 me V)、荧光量子产率高等优点,适合作为发光层来制备高效LED。而性能优良的LED在可见光通信领域具有很大的应用潜力。目前用于可见光通信的钙钛矿LED大多数是基于光致发光,光致发光LED的制备工艺简单,但是它的发光效率不高、发光亮度较低、能耗大。采用电致发光可以直接在发光层复合发出荧光,提高器件的发光效率和发光亮度,满足节能低碳环保的绿色理念。而电致发光型钙钛矿量子点LED的性能通常与钙钛矿材料与器件结构有关。钙钛矿量子点在提纯净化的过程中由于表面配体的脱落导致量子点表面存在大量的空位缺陷,引起量子点荧光量子产率的降低。而且,油胺油酸作为钙钛矿量子点常用的配体由于长的碳链产生大的空间位阻,从而在量子点表面形成绝缘层,阻碍了光电器件中载流子在钙钛矿层的传输。此外钙钛矿发光二极管由于载流子在钙钛矿发光层的注入不平衡引发激子猝灭,导致器件发光性能降低。基于上述考虑,我们分别从材料和器件物理等方面,通过优化发光层材料发光性能和改善器件的载流子平衡来提高电致钙钛矿LED的效率并探究其调制特性。本文的主要研究内容包括以下方面:(1)从优化发光层材料的光电性能角度出发,我们采用短链有机配体4-碘-D-苯丙氨酸(PIDP)对Cs Pb I3量子点进行后处理,通过对油胺和油酸等配体的部分取代,提高了钙钛矿量子点薄膜的电导率,从而促进了LED器件发光层载流子的传输。同时降低了钙钛矿量子点薄膜的电子迁移率并提高了其空穴迁移率,改善了发光层载流子的注入平衡。而且,PIDP有效钝化了钙钛矿表面的缺陷态,从而提高了材料的荧光量子产率(PLQY)。最终,我们制备出外量子效率为12.4%、最大发光亮度为2000 cd m-2的钙钛矿LED器件。(2)从器件物理工程角度出发,为了改善钙钛矿LED器件发光层的载流子注入平衡,需要对器件传输层材料的载流子迁移率进行适当调节。Co掺杂Zn O降低了Zn O的电子迁移率,从而改善了Cs Pb I3 LED发光层载流子的注入平衡。同时,还抑制了Zn O与发光层界面处的激子猝灭现象,有效提高了钙钛矿发光层的发光效率。另外,Co掺杂Zn O可以改善钙钛矿发光层的成膜性,便于制备性能优良的LED器件。最终,Cs Pb I3 LED的外量子效率提升了70%,最大亮度由原始器件的867 cd m-2提高至1858 cd m-2。除此之外,通过在Co掺杂的Zn O层与钙钛矿发光层二者中间插入聚乙烯亚胺,由于聚乙烯亚胺钝化了钙钛矿的表面缺陷,LED的外量子效率进一步提升至13.0%。(3)基于上述工作,分别测试了PIDP后处理的Cs Pb I3 LED和Co掺杂Zn O电子传输层的Cs Pb I3钙钛矿量子点LED的调制带宽。测试结果显示,发光层材料经过PIDP后处理后,Cs Pb I3 LED的调制带宽由1.6 MHz增加至3.8 MHz,原因在于Cs Pb I3经过PIDP处理后,器件工作电流密度增大,从而增加了载流子复合几率,故器件的调制带宽得到显著提升。而Co掺杂Zn O电子传输层的Cs Pb I3LED的调制带宽由600 k Hz降低至200 k Hz,通过发光层材料的时间分辨光致光谱发现,材料的寿命在Co掺杂后变大,这是由于Co掺杂有效抑制了发光层与电子传输层界面的激子猝灭而引起的。
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