全溶液加工量子点电致发光器件的研究

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量子点发光材料(QDs)因其光色可调、发光峰窄、色纯度高等独特的发光性质而受到了广泛的关注。特别地,QDs具有可溶液加工性,采用溶液加工的方式制备的量子点发光二极管(QLEDs)表现出了长寿命、高亮度、轻薄、柔性可弯曲等优异的发光性能。采用溶液加工工艺制备QLEDs阴极,是满足QLEDs制备工艺的适配性,实现低成本、大面积制造的重要方法。目前文献报道的全溶液加工器件,存在启亮电压(Von)高、发光效率低、以及电极方阻大等问题。本文以实现低Von、高发光效率的全溶液加工QLEDs为目标,重点研究采用银纳米颗粒(AgNPs)作为阴极、器件结构为ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ZnO/AgNPs的全溶液加工QLEDs的阴极界面特性。在此基础上,通过优化设计新型干燥工艺以及引入界面缓冲层,解决器件发光不均匀、阴极界面电子注入势垒升高以及电子注入受限等问题,实现了利用全溶液加工方法制备出发光均匀、低Von的红、绿、蓝QLEDs,并对器件的工作机制进行了讨论和分析。本论文的主要研究内容和成果如下。基于真空蒸镀银(Ag)阴极的QLEDs中,采用梯度退火工艺干燥ZnO薄膜,解决了因ZnO薄膜在直接高温退火下,导致TFB薄膜开裂,并引起器件发光不均匀的问题。并基于此,研制出均匀发光的红、绿、蓝QLEDs。通过对器件薄膜进行分层偏光测试,发现以150℃对ZnO进行直接退火时,器件结构中的TFB薄膜出现微裂纹并导致QDs在裂纹处不发光。通过进一步研究发现,裂纹的产生是由于ZnO薄膜在150℃高温退火下,内部溶剂挥发、体积变化产生的内应力,以及TFB薄膜与ZnO薄膜之间的膨胀系数失配应力共同导致的。为了解决此问题,提出了先低温再高温的梯度退火工艺处理ZnO,降低了因直接高温退火产生的应力,抑制TFB薄膜开裂,成功制备出均匀发光的红、绿、蓝QLEDs。通过优化AgNPs的干燥工艺,得到了可以与蒸镀Ag阴极器件相比拟的低Von的红、绿、蓝全溶液加工的QLEDs。基于采用旋涂AgNPs作为阴极的全溶液加工QLEDs的Von较蒸镀Ag阴极器件偏高的问题,对阴极界面特性进行了研究。通过光生伏打效应测试验证了全溶液加工QLEDs阴极界面势垒的提高是导致器件Von偏高的原因。利用SEM以及薄膜轮廓仪对ITO/ZnO/AgNPs器件截面形貌以及厚度进行表征,发现ZnO/AgNPs在界面产生共混,以致阴极界面势垒提高。通过采用低真空与热退火结合的工艺方式干燥AgNPs阴极,可以有效地阻止由于ZnO/AgNPs在界面共混引起的界面势垒提高,并且通过对器件进行光生伏打效应测试验证了这一结果。最终制备的全溶液加工红、绿QLEDs的Von分别从3.0 V和4.2 V降低至1.9 V和2.5 V,蓝光QLEDs的Von为3.4 V,实现了全溶液加工红、绿、蓝QLEDs与蒸镀Ag阴极器件相比拟的低Von。通过在ZnO/AgNPs界面引入缓冲层PVP,提升了全溶液加工红、绿、蓝QLEDs性能。具体表现为红、绿、蓝QLEDs的最大亮度分别从27541 cd/m2,16885 cd/m2,139cd/m2提升到39917 cd/m2,46593 cd/m2,348 cd/m2,分别提升了0.5倍,1.8倍,1.5倍。器件最大电流效率分别从5.2 cd/A,5.1 cd/A,0.07 cd/A提升到8.3 cd/A,9.4 cd/A,0.15cd/A,分别提升了0.6倍,0.8倍,1.1倍。器件性能提升的机制是:PVP缓冲层阻挡了银浆溶剂与添加剂对ZnO内部造成缺陷增多的影响,同时由于其本身的绝缘作用调节了器件内部载流子平衡。
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