JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ingénierie

Förbättrad Electron injektion och Exciton inneslutning för ren blå Quantum-Dot lysdioder genom att införa delvis oxiderade aluminium katod

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

Ett protokoll presenteras för tillverka högpresterande, rena blå ZnCdS/ZnS-baserade quantum dots lysdioder genom att anställa en autoxidized aluminium katod.

Abstract

Stabil och effektiv röd (R), grönt (G) och blått (B) ljuskällor baserat på lösning-bearbetade kvantprickar (QDs) spelar viktiga roller i nästa generations displayer och solid state lighting teknik. Ljusstyrka och effektivitet av blå QDs-baserade lysdioder (LEDs) fortfarande sämre än sina motsvarigheter i rött och grönt, på grund av sin natur unfavorable energinivåerna i olika färger av ljus. För att lösa dessa problem, bör en enhet struktur utformas att balansera den injektion hål och elektroner i emissive QD-skiktet. Häri, genom en enkel autoxidation strategi, ren blå QD-lysdioder som är mycket ljusa och effektiva styrkas med en struktur av ITO / PEDOT:PSS / Poly-TPD/QDs/Al: Al2O3. Autoxidized Al: Al2O3 katoden kan effektivt balansera de injicerade avgifterna och förbättra radiative rekombination utan att införa en extra elektron transportskiktet (ETL). Som ett resultat, uppnås hög färg-mättade blå QD-lysdioder med en maximal luminans över 13.000 cd m-2, och en maximal nuvarande effektivitet 1,15 cd A-1. De lättkontrollerad autoxidation förfarande banar väg för att uppnå hög prestanda blå QD-lysdioder.

Introduction

Lysdioder (LEDs) baserat på kolloidalt semiconductor kvantprickar har lockade stort intresse på grund av deras unika fördelar, inklusive lösning processbarhet, avstämbara utsläpp våglängd, utmärkt färg renhet, flexibel tillverkning och låg behandlingen kostar1,2,3,4. Sedan de första demonstrationerna av QDs-baserade ljusdioder i 1994, har enorma ansträngningar ägnats åt tekniska material och enheten strukturer5,6,7. En typisk QD-LED-enheten är utformad för att ha en tre-lager sandwich-arkitektur som består av ett hål transportskiktet (HTL), ett emissive lager och ett lager för elektrontransport (ETL). Valet av en lämplig avgift transportskiktet är kritisk till att balansera den injicerade hål och elektroner i det emissive lagret för radiative rekombination. För närvarande används allmänt vakuum-deponeras små molekyler som ETL, exempelvis bathocuproine (BCP), tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) och 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole (TAZ)8. Men orsakar obalanserad carrier injektionen ofta rekombination regionen övergången till ETL, att göra oönskade parasiter elektroluminescens (EL) utsläpp och försämrade enhet prestanda9.

För att förbättra enhetens effektivitet och miljömässiga stabilitet, infördes lösning-bearbetade ZnO nanopartiklar som en elektrontransport lager istället för vakuum-deponeras småmolekylär material. Mycket ljusa RGB QD-lysdioder visades för konventionella enhet arkitektur, visar luminans upp till 31,000, 68.000 och 4.200 cd m-2 för utsläpp av orange-röd, grön och blå, respektive10. För en inverterad enhet arkitektur, högpresterande RGB QD-lysdioder med låg vänd på spänning demonstrerades framgångsrikt med ljusstyrka och externa quantum effektivitet (EQE) 23,040 cd m-2 och 7,3% för röd, 218,800 cd m-2 och 5,8% för Green, och 2.250 cd m-2 och 1,7 procent för blå, respektive11. För att balansera de injicerade avgifterna och bevara QDs emissive lagret, infogades en isolerande polymetylmetakrylat (PMMA) tunn film mellan QDs och ZnO ETL. Optimerad deep-röd QD-lysdioderna uppvisade höga externa quantum effektivitet upp till 20,5% och en låg turn-on spänning på endast 1,7 V12.

Dessutom spelar optimera optoelektroniska egenskaper och nanostrukturer av QDs också en avgörande roll för att öka enhetens prestanda. Exempelvis starkt fluorescerande blå QDs med fotoluminescens quantum avkastning (PLQE) upp till 98% var syntetiseras genom optimera ZNSEN sprita tid13. Likaså, hög kvalitet, violett-blå QDs med nära 100% PLQE var syntetiseras genom att exakt kontrollera reaktion temperatur. Violett-blå QDs-LED enheter visade anmärkningsvärd luminans och EQE upp till 4 200 cd m-2 och 3,8%, respektive14. Denna syntesmetod är också tillämpliga på violett ZnSe/ZnS core/shell QDs, QD-lysdioderna uppvisade hög luminans (2,632 cd m-2) och effektivitet (EQE=7.83%) med hjälp av Cd-gratis QDs15. Eftersom blå kvantprickar med höga PLQE har påvisats, spelar hög avgift injektion effektivitet i QDs lager en annan avgörande roll i tillverka högpresterande QD-lysdioder. Genom att ersätta långa kedja oljesyra ligander för att förkorta 1-octanethiol ligander, electron rörlighet QDs film var ökad tvåfaldigt, och ett högt EQE-värde över 10% erhölls16. Yta ligand utbyte kan också förbättra morfologi av QDs film och undertrycka den fotoluminescens snabbkylning bland QDs. Exempelvis visade QDs-LED förbättrad enhetens prestanda genom att använda kemiskt ympade QDs-halvledande polymer hybrider17. Förutom, högpresterande QDs var förberedda genom rimliga optimering av graderade sammansättning och tjocklek av QDs skalet, på grund av den förbättrade kostnad injektion, transport och rekombination18.

I detta arbete introducerade vi en partiell autoxidized aluminium (Al) katod för att förbättra prestanda för ZnCdS/ZnS graderade core/shell-baserade blå QD-LEDs19. Ändringen av potentiell energi barriär av Al katoden bekräftades av ultraviolett fotoelektronen spektroskopi (UPS) och röntgen fotoelektronen spektroskopi (XPS). Dessutom fast Ladda bärare dynamics vid QDs/Al och QDs / Al: Al2O3 gränssnitt analyserades av tid-löst fotoluminescens (TRPL) mätningar. För att ytterligare verifiera påverkan av delvis oxiderat Al på enhetsprestanda, QD-lysdioder med olika katoder (Al endast, Al: Al2O3, Al2O3/Al, Al2O3/Al:Al2O3, och ALQ3/Al) var fabricerade. Som ett resultat, högpresterande ren blå QD-LEDs visades genom att anställa Al: Al2O3 katoder, med en maximal luminans av 13,002 cd m-2 och en topp nuvarande effektivitet 1,15 cd A-1. Dessutom fanns ingen ytterligare ekologiska ETL i enheten-arkitekturen som kan undvika oönskade parasiter EL för att garantera färg renhet under olika arbetande spänningar.

Protocol

1. mönster etsning av Indium tinoxiden (ITO) glas Skär stora bitar av ITO glas (12 cm × 12 cm) i 15 mm breda remsor. Ren glasytan ITO använder en dammfri trasa med alkohol. Kontrollera den ledande sidan av ITO glaset med en digital multimeter. Täcka det aktiva området av ITO glaset med tejp, så att det aktiva området är 2 mm brett i mitten. Häll zinkpulver på ITO glaset (till en tjocklek av ca 0,5 mm). Häll på saltsyrelösning (36 wt %) på ytan av ITO glaset och låt …

Representative Results

UV-Vis absorptions- och fotoluminiscens (PL) spektra användes för att spela in de optiska egenskaperna hos ZnCdS/ZnS graderade core/shell-baserade blå QDs. transmissionselektronmikroskopi (TEM) och scanning electron microscopy (SEM) bilder samlades in för de morfologier av QDs (figur 1). Röntga fotoelektronen spektroskopi (XPS), elektrokemiska studie och ultraviolett fotoelektronen spektroskopi (UPS) användes för att upptäcka strukturella egenskaper o…

Discussion

Enheten arkitekturen av den blå QD-LED består av en ITO transparent anod, en PEDOT:PSS HIL (30 nm), en Poly-TPD HTL (40 nm), en ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm), och en Al: Al2O3 katoden (100 nm). På grund av den porösa karaktären av Al katoden fick vi en oxiderad Al katod genom att utsätta det för syre. Figur 2e och figur 2f visar energinivån justering diagram av QDs lager med Al och Al: Al2O3. När QDs kontakt med A…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöds av den NSFC (51573042), The National Key grundläggande forskning Program Kina (973 projekt, 2015CB932201), grundläggande forskningsmedel för Central universiteten, Kina (JB2015RCJ02, 2016YQ06, 2016MS50, 2016XS47).

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulović, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics. 7 (1), 13-23 (2012).
  2. Chen, O., Wei, H., Maurice, A., Bawendi, M., Reiss, P. Pure colors from core-shell quantum dots. MRS Bull. 38 (09), 696-702 (2013).
  3. Dai, X., Deng, Y., Peng, X., Jin, Y. Quantum-Dot Light-Emitting Diodes for Large-Area Displays: Towards the Dawn of Commercialization. Adv. Mater. 29 (14), (2017).
  4. Wang, L., et al. High-performance azure blue quantum dot light-emitting diodes via doping PVK in emitting layer. Org. Electron. 37, 280-286 (2016).
  5. Colvin, V., Schlamp, M., Alivisatos, A. P. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer. Nature. 370 (6488), 354-357 (1994).
  6. Tan, Z., et al. Colloidal nanocrystal-based light-emitting diodes fabricated on plastic toward flexible quantum dot optoelectronics. J. Appl. Phys. 105 (03), 034312 (2009).
  7. Tan, Z., et al. Bright and color-saturated emission from blue light-emitting diodes based on solution-processed colloidal nanocrystal quantum dots. Nano Lett. 7 (12), 3803-3807 (2007).
  8. Lee, C. -. L., Nam, S. -. W., Kim, V., Kim, J. -. J., Kim, K. -. B. Electroluminescence from monolayer of quantum dots formed by multiple dip-coating processes. physica status solidi (b). 246, 803-807 (2009).
  9. Lee, T. -. C., et al. Rational Design of Charge-Neutral, Near-Infrared-Emitting Osmium(II) Complexes and OLED Fabrication. Advanced Functional Materials. 19, 2639-2647 (2009).
  10. Qian, L., Zheng, Y., Xue, J., Holloway, P. H. Stable and efficient quantum-dot light-emitting diodes based on solution-processed multilayer structures. Nat. Photonics. 5 (9), 543-548 (2011).
  11. Kwak, J., et al. Bright and efficient full-color colloidal quantum dot light-emitting diodes using an inverted device structure. Nano Lett. 12 (5), 2362-2366 (2012).
  12. Dai, X., et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots. Nature. 515 (7525), 96-99 (2014).
  13. Lee, K. -. H., Lee, J. -. H., Song, W. -. S., Ko, H., Lee, C., Lee, J. -. H., Yang, H. Highly efficient, color-pure, color-stable, blue quantum dots light-emitting devices. ACS Nano. 7 (8), 7295-7302 (2013).
  14. Shen, H., et al. High-efficient deep-blue light-emitting diodes by using high quality ZnxCd1-xS/ZnS core/shell quantum dots. Adv. Funct. Mater. 24 (16), 2367-2373 (2014).
  15. Wang, A., et al. Bright, efficient, and color-stable violet ZnSe-based quantum dot light-emitting diodes. Nanoscale. 7 (7), 2951-2959 (2015).
  16. Shen, H., et al. High-efficiency, low turn-on voltage blue-violet quantum-dot-based light-emitting diodes. Nano Lett. 15 (2), 1211-1216 (2015).
  17. Fokina, A., et al. The role of emission layer morphology on the enhanced performance of light-emitting diodes based on quantum dot-semiconducting polymer hybrids. Adv. Mater. Interfaces. 3 (18), 1600279 (2016).
  18. Yang, Y., et al. High-efficiency light-emitting devices based on quantum dots with tailored nanostructures. Nat. Photonics. 9, 259-266 (2015).
  19. Cheng, T., et al. Pure Blue and Highly Luminescent Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement via Partially Oxidized Aluminum Cathode. Adv. Opt. Mater. 5 (11), 1700035 (2017).
  20. Rotole, J. A., Sherwood, P. M. A. Gamma-Alumina (γ-Al2O3) by XPS. Surf. Sci. Spectra. 5 (1), 18-24 (1998).
  21. Liu, J., Yang, W., Li, Y., Fan, L., Li, Y. Electrochemical studies of the effects of the size, ligand and composition on the band structures of CdSe, CdTe and their alloy nanocrystals. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (10), 4778-4788 (2014).
  22. Abbaszadeh, D., Wetzelaer, G. A. H., Doumon, N. Y., Blom, P. W. M. Efficient polymer light-emitting diode with air-stable aluminum cathode. J. Appl. Phys. 119 (9), 095503 (2016).
  23. Yu, L., et al. Optimization of the energy level alignment between the photoactive layer and the cathode contact utilizing solution-processed hafnium acetylacetonate as buffer layer for efficient polymer solar cells. Acs Appl. Mater. Interfaces. 8 (1), 432-441 (2016).
  24. Li, F., Tang, H., Anderegg, J., Shinar, J. Fabrication and electroluminescence of double-layered organic light-emitting diodes with the Al2O3/Al cathode. J. Shinar, Appl. Phys. Lett. 70 (10), 1233-1235 (1997).
  25. Bai, Z., et al. Hydroxyl-Terminated CuInS2 Based Quantum Dots: Toward Efficient and Bright Light Emitting Diodes. Chemistry of Materials. 28, 1085-1091 (2016).
  26. Wang, Z., et al. Efficient and Stable Pure Green All-Inorganic Perovskite CsPbBr3 Light-Emitting Diodes with a Solution-Processed NiOx Interlayer. The Journal of Physical Chemistry C. , (2017).

Tags

Keywords: Quantum-dot Light-emitting DiodesElectron InjectionExciton ConfinementPartially Oxidized Aluminum CathodeITO Glass PreparationEtchingCleaningFabrication Process
check_url/fr/57260?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image