JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Forbedret elektron injektion og Exciton indespærring for ren blå kvante-Dot lysemitterende dioder ved at indføre delvist oxideret aluminium katode

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

En protokol, der er præsenteret for opdigte højtydende, ren blå ZnCdS/ZnS-baserede quantum dots lysemitterende dioder ved at ansætte en autoxidized aluminium katode.

Abstract

Stabil og effektiv rød (R), grøn (G) og blå (B) lyskilder baseret på løsning-forarbejdede quantum dots (QDs) spiller en vigtig rolle i næste generations skærme og solid state belysning teknologier. Lysstyrke og effektiviteten af blå QDs-baserede lysemitterende dioder (lysdioder) er stadig ringere end deres modparter i røde og grønne, på grund af de iboende ugunstige energi niveauer af forskellige farver af lys. For at løse disse problemer, bør en enhed struktur udformes at afbalancere injection huller og elektroner i emissive QD lag. Heri, gennem en enkel autoxidation strategi, ren blå QD-lysdioder, som er meget lyse og effektiv er påvist, med en struktur af ITO / PEDOT:PSS / Poly-TPD/QDs/Al: Al2O3. Autoxidized Al: Al2O3 katode kan effektivt skabe balance mellem de injicerede afgifter og forbedre radiative rekombination uden at indføre en ekstra elektron transport layer (ETL). Som følge heraf opnås høj farve-mættet blå QD-lysdioder med en maksimal luminans over 13.000 cd m-2, og en maksimal nuværende effektivitet af 1.15 cd A-1. Let kontrolleret autoxidation procedure baner vejen for at opnå høj ydeevne blå QD-lysdioder.

Introduction

Lysemitterende dioder (lysdioder) baseret på kolloid semiconductor quantum dots har tiltrukket sig stor interesse på grund af deres unikke fordele, herunder løsning processability, afstemmelige emission bølgelængde, fremragende farve renhed, fleksibel fabrikation og lav behandlingen koster1,2,3,4. Siden de første demonstrationer af QDs-baseret lysdioder i 1994, har enorme anstrengelser været helliget engineering materialer og enhedens strukturer5,6,7. En typisk QD-LED enhed er designet til at have en tre-lags sandwich arkitektur, der består af en hul transport layer (HTL), et emissive lag, og en elektron transport layer (ETL). Valget af en passende opladning transport lag er kritisk at afbalancere den injicerede huller og elektroner i det emissive lag for radiative rekombination. I øjeblikket, er vakuum-deponeret små molekyler almindeligt anvendt som ETL, f.eks bathocuproine (BCP), tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) og 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole (TAZ)8. Dog forårsager ubalanceret carrier injektion ofte rekombination region Skift til ETL, at uønskede parasitiske elektroluminiscens (EL) emission og forværrede enhed ydeevne9.

For at forbedre enhedens effektivitet og miljømæssig stabilitet, blev løsning-forarbejdede ZnO nanopartikler indført som en elektron transport lag i stedet for vakuum-deponeret små-molekyle materialer. Meget lyse RGB QD-LEDs blev demonstreret for konventionelle enhed arkitektur, viser luminans op til 31.000, 68.000 og 4.200 cd m-2 for emission af orange-rød, grøn og blå, henholdsvis10. For en inverteret enhed arkitektur, højtydende RGB QD-lysdioder med lav tænde spænding blev med succes demonstreret med lysstyrke og eksterne kvante effektivitet (EQE) af 23,040 cd m-2 og 7,3% for rød, 218,800 cd m-2 og 5,8% for Green, og 2.250 cd m-2 og 1,7% for blå, henholdsvis11. For at skabe balance mellem de injicerede afgifter og bevare QDs emissive lag, blev en isolerende præget (PMMA) tynd film indsat mellem QDs og ZnO ETL. De optimerede dyb-røde QD-lysdioder udstillet høje eksterne kvante effektivitet op til 20,5% og en lav turn-on spænding på kun 1,7 V12.

Udover, optimering af optoelektroniske egenskaber og nanostrukturer i QDs også spiller en afgørende rolle i opreklamering enhed ydeevne. For eksempel, stærkt fluorescerende blå QDs med fotoluminescens quantum udbytte (PLQE) op til 98% blev syntetiseret gennem optimering ZnS afskalning tid13. På samme måde, høj kvalitet, violet-blå QDs med i nærheden af 100% PLQE blev syntetiseret ved præcist at kontrollere reaktion temperatur. Violet-blå QDs-LED enheder viste bemærkelsesværdige luminans og EQE op til 4.200 cd m-2 og 3,8%, henholdsvis14. Denne syntese-metoden kan også anvendes til violet ZnSe/ZnS core/shell QDs, QD-LEDs udstillet høj luminans (2,632 cd m-2) og effektivitet (EQE=7.83%) ved hjælp af Cd-gratis QDs15. Da blue quantum dots med høje PLQE har påvist, spiller høj afgift injektion effektivitet i QDs lag en anden afgørende rolle i opdigte højtydende QD-lysdioder. Ved at erstatte lang kæde oliesyre ligander for at forkorte 1-octanethiol ligander, elektron mobilitet QDs film var øget to gange, og en høj EQE værdi mere end 10% blev opnået16. Overflade ligand exchange kan også forbedre morfologi af QDs film og undertrykke fotoluminescens dæmper blandt QDs. For eksempel, viste QDs-LED forbedret enhed ydeevne ved hjælp af kemisk podede QDs-halvledende polymer hybrider17. Udover, højtydende QDs var forberedt gennem rimelig optimering af sorterede sammensætning og tykkelsen af QDs shell, på grund af øget afgift injektion, transport og rekombination18.

I dette arbejde indført vi en delvis autoxidized aluminium (Al) katode for at forbedre ydeevnen af ZnCdS/ZnS sorteres core/shell-baseret blå QD-LEDs19. Ændring af potentiel energi barriere af Al katoden blev bekræftet af ultraviolet photoelectron spektroskopi (UPS) og X-ray photoelectron spektroskopi (XPS). Desuden, hurtigt opkræve carrier dynamics på QDs/Al og QDs / Al: Al2O3 interface blev analyseret af tidsopløst fotoluminescens (TRPL) målinger. Yderligere bekræfte delvist sortpatineret Al indflydelse på enhedens ydeevne, QD-lysdioder med forskellige katoder (Al kun, Al: Al2O3, Al2O3/Al, Al2O3/Al:Al2O3, og ALQ3/Al) var opdigtet. Som et resultat, højtydende ren blå QD-LEDs blev demonstreret ved at ansætte Al: Al2O3 katoder, med en maksimal lysstyrke på 13,002 cd m-2 og et peak nuværende effektivitet af 1.15 cd A-1. Endvidere, der var ingen yderligere organisk ETL involveret i enheden arkitektur, der kan undgå uønskede parasitære EL for at sikre den farve renhed under forskellige arbejder spændinger.

Protocol

1. mønster ætsning af Indium Tin oxid (ITO) glas Skær store stykker af ITO glas (12 cm × 12 cm) i 15 mm brede strimler. Ren ITO glasoverflade ved hjælp af en støv-fri klud med alkohol. Tjek den ledende side af ITO glas med en digital multimeter. Dække det aktive område af ITO glasset med tape, så at det aktive område er 2 mm bred i midten. Hæld zinkstøv på ITO glas (til en tykkelse på ca. 0,5 mm). Hæld saltsyre (36 wt %) på overfladen af glasset, ITO og tillade ITO …

Representative Results

UV-Vis absorption og fotoluminescens (PL) spectra blev brugt til at registrere de optiske egenskaber af ZnCdS/ZnS sorteres core/shell-baseret blå QDs. Transmission elektronmikroskopi (TEM) og scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder blev indsamlet de morfologier af QDs (figur 1). X-ray photoelectron spektroskopi (XPS), elektrokemiske undersøgelse og ultraviolet photoelectron spektroskopi (UPS) blev ansat til at opdage de strukturelle egenskaber og energi …

Discussion

Enheden arkitektur af blå QD-LED består af et ITO gennemsigtig anode, en PEDOT:PSS HIL (30 nm), en Poly-TPD HTL (40 nm), en ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm), og et Al: Al2O3 katode (100 nm). På grund af den porøse karakter af Al katode opnåede vi en oxideret Al katode ved at udsætte det til ilt. Figur 2e og figur 2f vise energi niveau justering diagrammer over QDs lag med Al og Al: Al2O3. Når QDs kontakt med Al katode,…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af NSFC (51573042), den nationale nøgle grundlæggende forskning Program af Kina (973 projekt, 2015CB932201), grundlæggende forskningsmidler til Central universiteter, 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

Quantum-dot Light-emitting DiodesElectron InjectionExciton ConfinementPartially Oxidized Aluminum CathodeITO Glass PreparationEtchingCleaningFabrication Process

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image