PEIE界面修饰层在全溶液倒置柔性量子点发光二极管中的应用

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量子点发光二极管(Quantum Dot Light-Emitting Diodes,QLED)凭借色纯度高、材料稳定性好、发光颜色随量子点(Quantum Dots,QDs)尺寸连续可调、可溶液法加工等优点,在照明和显示领域具有十分广阔的应用前景。基于目前的文献报道,QLED器件主要分为正置结构和倒置结构两种类型。正置结构器件多用于照明领域,而倒置结构的QLED器件更易于与低成本的n型金属氧化物或非晶硅薄膜晶体管集成,在显示领域更加实用。倒置结构的QLED器件在构筑过程中主要采用真空热蒸发法和全溶液法,相比于热蒸发法构筑的器件,全溶液法构筑倒置结构的QLED器件具有操作工艺简单,价格低廉,可大面积制备等优点。但全溶液法构筑倒置结构的QLED器件目前存在以下问题:(1)空穴传输层(HTL)溶剂对QDs发光层(EML)的溶解;(2)HTL/EML界面处空穴注入势垒较高引起的载流子注入不平衡;(3)电子传输层(ETL)/EML界面处,氧化锌纳米颗粒(ZnO NPs)高密度的表面缺陷引起的激子猝灭,导致器件性能下降。本论文针对全溶液法倒置QLED器件中出现的上述问题,选用具有脂族胺基的界面聚合物表面改性剂─乙氧基化聚乙烯亚胺(Polyethylenimine Ethoxylated,PEIE)作为界面修饰材料,通过诱导界面偶极子的形成,使被修饰层的功函数发生明显变化。将PEIE置于HTL/EML和ETL/EML界面,一方面作为缓冲层降低HTL层溶剂对QDs EML的破坏,同时界面偶极子层的存在能提高QDs的价带,从而促进从HTL到QDs EML的空穴注入。另一方面钝化ZnO NPs的表面缺陷,降低ETL/EML界面处的激子猝灭,使器件的外量子效率(EQE)达到10%以上。随后通过一步法制备银纳米线(AgNWs)与石墨烯(Graphene)复合的高性能柔性透明电极,应用于上述的优化器件中,实现了柔性倒置QLED器件的构筑。论文获得的主要研究成果如下:(1)QDs/PEIE对QLED器件性能的影响为减缓空穴传输层溶剂对量子点发光层的破坏和降低空穴注入势垒,在倒置QLED中引入一种新型结构──在QDs(EML)/PVK(HTL)界面处插入PEIE中间层。通过对PEIE不同溶剂的调整,以实现对QDs层的最大程度保护;通过对PEIE层不同浓度、旋转速度、退火温度等的调整,来实现器件性能的最大化提高。既有效的保护了QDs层不被空穴传输层溶剂的溶解,又利用PEIE的高功函数,使QDs价带边上移0.35 eV。由于HTL到EML之间形成的阶梯化能带结构,可以有效降低空穴注入势垒,使器件的电流效率从25.67 cd/A提高到34.22 cd/A,功率效率从11.32 lm/W提高到14.79 lm/W,外量子效率从6.37%增加到8.54%,分别提高了33.3%、30.6%和34.1%。(2)ZnO/PEIE/QDs/PEIE对QLED器件性能的影响为解决ETL/EML界面处ZnO NPs表面高密度缺陷态引起的激子猝灭问题,在QDs/PEIE结构的基础上,提出了在ZnO(ETL)/QDs(EML)界面处插入PEIE中间层。通过对PEIE层浓度、旋转速度、退火温度等工艺参数的调整,最大程度的降低ETL/EML界面处的激子猝灭,从而实现器件性能的最大化提高。瞬态荧光光谱表征结果显示,量子点荧光寿命从6.66 ns提高到7.17 ns,证明PEIE层可以有效抑制ZnO/QDs界面处的激子猝灭。使器件的电流效率从32.10 cd/A提高到46.90 cd/A,功率效率从13.62 lm/W提高到19.20 lm/W,外量子效率从8.02%增加到11.64%,分别提高了46.1%、41.0%和45.1%。(3)AgNWs/Graphene柔性电极制备及柔性QLED器件构筑为实现柔性倒置QLED器件的构筑,将导电性良好,透过率高的AgNWs与柔韧性好的Graphene复合,采用紫外光固化树脂(UV Cureable Resin,NOA63)作为柔性衬底,将AgNWs嵌入树脂内部降低表面粗糙度,一步法制备抗弯折性、耐机械疲劳性和抗氧化性能高的柔性透明电极。通过AgNWs喷涂浓度、喷涂循环次数的调整,将得到在550 nm处的透过率为88.35%,方阻为14±3?/sq的复合透明电极。将其应用在倒置QLED器件中,得到发光强度为4342 cd/m~2,外量子效率为1.27%的柔性倒置QLED器件,为可穿戴、可折叠、可弯曲的柔性显示技术打下了基础。本论文通过选用PEIE作为界面修饰材料,一方面既减缓HTL溶剂对QDs EML的破坏,又使空穴注入势垒阶梯化。另一方面钝化ZnO NPs的表面缺陷,降低ETL/EML界面处的激子猝灭,使器件的外量子效率从6.37%提高到11.64%。接着将其构筑在一步法制备的AgNWs/Graphene柔性透明电极上,得到发光强度为4342 cd/m~2,外量子效率为1.27%的柔性倒置QLED器件。不仅实现了全溶液法倒置柔性QLED器件的构筑,还为未来柔性显示技术的发展奠定了基础。
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