基于全无机钙钛矿材料的发光二极管的研究

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在目前的显示器件领域,有机发光二极管(OLED)的工业化的发展较为成熟,但由于有机发光层并不是最理想的光电材料,人们致力于寻找更优异的光电材料,钙钛矿的发现吸引了人们的目光。钙钛矿材料作为世界上分布最广泛的矿物质之一,是以天然矿物钙钛酸Ca Ti O3命名的一种具有ABX3型化学式的晶体材料,其中卤化物钙钛矿(Halide perovskite materials,HPs)材料(ABX3中A通常是甲脒,甲基铵,铯等一价无机或有机阳离子,B通常是铅,锡或铋阳离子,X为卤素阴离子)具有优异的光电特性如强的光吸收特性、高载流子寿命、可观的激子扩散长度等,常应用于太阳能电池、激光器、发光二极管等光电器件的研究中,是理想的光电材料。其中,全无机铯铅卤化物钙钛矿材料(如Cs Pb Br3)具有色纯度高(半峰宽可小于20 nm)、成本低、热稳定性高、以及光致发光量子产率高(PLQY高达约90%)等瞩目的优点,广泛应用于钙钛矿发光二极管(Pe LEDs)中,引领了一个新的研究浪潮。经过几年时间,基于Cs Pb Br3的绿光钙钛矿发光二级管的最大外量子效率(EQE)就已经突破了20%,进展相当迅猛。但Pe LEDs发光效率和稳定性仍未达到商业化的基本标准。主要可能的原因有(1)钙钛矿发光二极管的内量子效率较低,激子利用率不高。大大降低了Pe LEDs的发光效率。(2)界面层的非辐射复合途径较多。在基于钙钛矿的发光二极管中,PEDOT:PSS常常作为空穴传输层与钙钛矿发光层相邻以提供空穴注入与传输,但由于PEDOT:PSS的金属性质,当钙钛矿膜直接与PEDOT:PSS层接触时,大部分激子可能会被淬灭,发生电荷的非辐射复合从而降低器件效率。同时,PEDOT:PSS与钙钛矿层之间具有较高(0.65 e V)的空穴注入势垒,从而限制了发光层中的载流子平衡。鉴于以上两种可能的情况,本论文从提高钙钛矿的内量子效率和降低界面层的发光淬灭两个方面进行了研究,通过实验验证、数据和原理分析证明了一些提高Pe LEDs发光性能的可行方法,为未来进一步提高钙钛矿发光二极管的性能提供新思路。主要研究内容如下:首先,在提高钙钛矿的内量子效率和激子利用率方面。有研究报道使用传统的荧光材料或者磷光材料作为掺杂剂将能量转移到钙钛矿发射体的激发态上,但传统的荧光材料最大内量子效率小于或等于25%(传统的荧光材料只能收集25%的单线态激子),因此仍有大量激子浪费。虽然基于Ir或Pt,Re的磷光材料已经能实现100%的内量子效率.,但是Ir或Pt,Re作为地球稀有金属元素,成本高,限制了Pe LEDs大规模的商业化生产。基于此,本论文提出使用可实现100%的内量子效率的热激活延迟荧光(TADF)材料4,5-二(9-咔唑基)-邻苯二腈(2Cz PN)作为超薄缓冲层,使2Cz PN上的激子能量通过有效的F?rster能量转移到Cs Pb Br3的激发态上的研究方法,在不使用重金属元素的同时实现100%的内量子效率,提高Pe LEDs的发光性能。优化的具有超薄2Cz PN缓冲层的Cs Pb Br3钙钛矿发光二极管(Pe LEDs)表现出高的电致发光(EL)性能,其启亮电压较低(3.6 V),最大亮度为7660 cd/m~2,最大电流效率为2.83 cd/A。具有超薄2Cz PN缓冲层的Pe LEDs与不具有超薄缓冲层的传统Pe LEDs相比,最大亮度和最大电流效率都分别提高了7倍和5.5倍。接下来,在降低界面层的发光淬灭方面。为了克服在空穴注入层和发光层界面(HIL/EML)上出现的大的空穴注入势垒和激子淬灭,目前已经有几个工作讨论和报道了如何解决上述问题,但是在激子损失的物理机制上尤其是在HIL/EML界面处可能丢失激子的问题上的关注较少。本论文介绍了一种通过在PEDOT:PSS和Cs Pb Br3发射层之间引入具有空穴传输性质的空穴传输层m CP以提高器件的空穴注入和空穴传输效率以及减少HIL/EML界面处的激子淬灭而显著提高Pe LEDs器件的电致发光效率的方法。实验结果发现,加入m CP层以后,Pe LEDs的电致发光性能得到了显著的提高。基于m CP的Pe LEDs的启亮电压低至~3.0 V,最大亮度为~14247 cd/m~2,最高电流效率为~4.86 cd/A,最大亮度和最大电流效率分别为原先的~3.73倍和~4.23倍。相较于传统的Pe LEDs,本工作通过简单的界面工程方法显著提升了Pe LEDs的发光效率。
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