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Ingénierie

采用部分氧化铝阴极增强电子注入和激子约束的纯蓝色量子点发光二极管

Published: May 31, 2018
doi:
10.3791/57260
, , , , , , , ,
1State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, 2Department of Mathematics,Quaid-I-Azam University, 3NAAM Research Group, Faculty of Science,King Abdulaziz University

Summary

提出了一种利用 autoxidized 铝阴极制备高性能、纯蓝色 ZnCdS/ZnS 基量子点发光二极管的协议。

Abstract

稳定高效的红色 (R)、绿色 (G) 和蓝色 (B) 基于解决方案处理的量子点 (QDs) 的光源在下一代显示器和固态照明技术中起着重要的作用。基于蓝色 QDs 的发光二极管 (led) 的亮度和效率仍然不如它们的红色和绿色对应, 这是由于不同颜色的光本身所不赞同的能量水平。为了解决这些问题, 应设计一种设备结构, 以平衡注入孔和电子到发射的量子点层。在这里, 通过一个简单的氧化策略, 展示了高亮度和高效率的纯蓝色发光二极管, 具有 ITO/PEDOT 结构: PSS/聚 TPD/QDs/al: 铝2O3。autoxidized al2O3阴极可以有效地平衡注入电荷, 并在不引入附加电子传输层 (ETL) 的情况下增强辐射重组。因此, 高颜色饱和的蓝色发光二极管的最大亮度达到1.3万个 cd m-2, 最大电流效率为 1.15 cd a-1。易于控制的氧化程序为实现高性能的蓝色亮灯 led 铺平了道路。

Introduction

基于胶体半导体量子点的发光二极管 (led) 由于其独特的优点, 包括溶液的加工性、可调谐的发射波长、优良的色泽纯度、柔性制造和低处理成本1,2,3,4。自1994年首次演示基于 QDs 的 led 指示灯以来, 为工程材料和设备结构5,6,7, 付出了巨大的努力。一个典型的半导体发光二极管装置设计为具有一个三层夹层结构, 由孔传输层 (HTL)、发射层和电子传输层 (ETL) 组成。选择合适的电荷传输层对于平衡注入孔和电子到发射层进行辐射重组至关重要。目前, 真空沉积小分子被广泛用作 ETL, 例如, bathocuproine (BCP)、三 (8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) 和 3-(联苯-4-基)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-苯基-4 h-12, 4-三唑 (狂暴)8。然而, 不平衡的载波注入往往会导致重组区域向 ETL 转移, 造成不必要的寄生电致发光 (EL) 发射并使设备性能恶化9。

为了提高器件的效率和环境稳定性, 将溶液处理的 ZnO 纳米粒子作为电子传输层, 而不是真空沉积的小分子材料。在传统设备体系结构中显示了高亮度的 RGB 发光二极管, 显示了3.1万、6.8万和 4200 cd m-2的亮度, 分别为橙色-红色、绿色和蓝色,10。对于反向设备体系结构, 成功地用亮度和外部量子效率 (EQE) 23040 个 cd m-2和7.3% 为红色、218800个 cd m-2和5.8% 实现了高性能的 RGB 发光二极管–低匝电压。绿色, 2250 个 cd m-2和1.7% 为蓝色, 分别为11。为了平衡注入的电荷并保持 QDs 发射层, 在 QDs 和 ZnO ETL 之间插入了一个绝缘聚 (methylmethacrylate) (PMMA) 薄膜。最优化的深红色的发光二极管显示了高的外部量子效率高达20.5% 和低的打开电压只有 1.7 V12。

此外, 优化 QDs 的光电性能和纳米结构也对提高器件性能起着至关重要的作用。例如, 通过优化 ZnS 炮击时间13, 合成了具有光致发光量子产量 (PLQE) 98% 的高荧光蓝 QDs。同样, 通过精确控制反应温度, 合成了近 100% PLQE 的优质紫蓝色 QDs。紫蓝色 QDs LED 设备显示显着的亮度和 EQE 高达 4200 cd m-2和 3.8%, 分别为14。这种合成方法也适用于紫 ZnSe/ZnS 芯/壳 QDs, 该发光二极管显示高亮度 (2632 cd m-2) 和效率 (EQE = 7.83%) 使用无 cd QDs15。由于高 PLQE 的蓝色量子点已经被证明, QDs 层中的高电荷注入效率在制造高性能的光 led 发光二极管中扮演了另一个关键的角色。采用长链油酸配体, 以缩短 1-octanethiol 配体, QDs 膜的电子流动性增加了两倍, 并获得了高 EQE 值10% 以上的16。表面配体交换也可以改善 QDs 膜的形貌, 抑制 QDs 中的光致发光淬火。例如, 使用化学接枝 QDs-半导体聚合物混合器17, QDs LED 显示了改进的器件性能。此外, 由于增强的电荷注入、传输和重组18, 通过合理优化 QDs 壳的分级组成和厚度, 制备出高性能 QDs。

在这项工作中, 我们介绍了一个部分 autoxidized 铝 (Al) 阴极, 以提高性能的 ZnCdS/ZnS 分级核/壳型蓝光-led19。利用紫外光电子能谱 (UPS) 和 X 射线光电子能谱 (XPS) 验证了铝阴极势能屏障的变化。此外, 通过时间分辨光致发光 (TRPL) 测量, 分析了 QDs/al 和 QDs/al 的快速电荷载波动力学: al2O3接口。为了进一步验证部分氧化铝对器件性能的影响, 带不同阴极的发光二极管 (al, 铝: 铝2O3, al2o3/铝, al2o3/铝: al2o3, 和Alq3/Al) 是捏造的。因此, 采用 al2O3阴极, 以最大亮度为13002个 cd m-2 , 并以 1.15 cd a-1的峰值电流效率来演示高性能纯蓝色发光二极管。此外, 在设备体系结构中没有额外的有机 ETL, 可以避免不需要的寄生 EL, 以保证不同工作电压下的颜色纯度。

Protocol

1. 氧化铟锡 (ITO) 玻璃的图案蚀刻 将大片 ITO 玻璃 (12 厘米 x 12 厘米) 切成15毫米宽的长条。使用带有酒精的无尘布清洁 ITO 玻璃表面。 用数字万用表检查 ITO 玻璃的导电面。用胶带覆盖 ITO 玻璃的活动面积, 使活动面积在中间有2毫米宽。 将锌粉倒入 ITO 玻璃上 (厚度约为0.5 毫米)。 将盐酸溶液 (36 wt%) 倒入 ito 玻璃表面, 让 ito 玻璃完全浸泡在盐酸溶液中, 然后蚀刻十五年?…

Representative Results

采用紫外-可见光吸收和光致发光 (PL) 光谱记录 ZnCdS/ZnS 分级核/壳型蓝 QDs 的光学特性. 采集透射电镜 (TEM) 和扫描电镜 (SEM) 图像, 为QDs 的形貌 (图 1)。采用 X 射线光电子能谱 (XPS)、电化学研究和紫外光电子能谱 (UPS) 检测 QDs 的结构特性和能级 (图 2)。时间分辨光致发光 (TRPL) 测量用于检测 QDs/al 和 QDs/al 之间的接口上的快速电荷载?…

Discussion

蓝色发光二极管的器件结构由 ITO 透明阳极组成, PEDOT: PSS HIL (30 nm), 聚 TPD HTL (40 nm), ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm) 和 al: 铝2O3阴极 (100 nm)。由于铝阴极的多孔特性, 通过将其暴露于氧气中, 得到了氧化铝阴极。图 2e和图 2f显示了 QDs 层与 al 和 al 的能级对齐图: al2O3。当 QDs 接触铝阴极时, 在 QDs/铝接口上形成肖特基接触, 该界面引入了?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到国家自然科学基金 (51573042)、全国重点基础研究项目 (973 项目、2015CB932201)、中央大学基础研究经费 (JB2015RCJ02、2016YQ06、2016MS50、2016XS47) 的支持。

Materials

Indium Tin Oxide (ITO)-coated glass
substrate		 CSG Holding Co., Ltd. Resistivity≈10 Ω/sq
Zinc powder Sigma-Aldrich 96454 Molecular Weight 65.38
Isopropyl alcohol Beijing Chemical Reagent 67-63-0 Analytically pure
Toluene Innochem I01367 Analytically pure
Acetone Innochem I01366 Analytically pure
Hydrochloric acid acros 124210025 1 N standard solution
O-dichlorobenzene acros 396961000 98+%, Extra Dry
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) H. C.Stark Clevious P VP Al 4083
Poly(N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)-benzidine) (Poly-TPD) Luminescence Technology LT-N149
Aluminum tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) Luminescence Technology LT-E401
UV-O cleaner Jelight Company 92618
Filter Jinteng JTSF0303/0304 Polyether sulfone (0.45 μm)
Ultrasonic cleaner HECHUANG ULTRASONIC KH-500DE
Digital multimeter UNI-T UT39A
Spin coater IMECAS KW-4A
Digital hotplate Stuart SD160
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References

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Keywords: Quantum-dot Light-emitting DiodesElectron InjectionExciton ConfinementPartially Oxidized Aluminum CathodeITO Glass PreparationEtchingCleaningFabrication Process
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Citer Cet Article
Wang, Z., Cheng, T., Wang, F., Bai, Y., Bian, X., Zhang, B., Hayat, T., Alsaedi, A., Tan, Z. Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement for Pure Blue Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Introducing Partially Oxidized Aluminum Cathode. J. Vis. Exp. (135), e57260, doi:10.3791/57260 (2018).
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