V2O5基空穴注入层构筑高效稳定的绿色量子点发光二极管

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量子点发光二极管(Quantum-dot Light-emitting Diodes,QLED)由于具有光谱覆盖范围广、色纯度高、能耗低等优点,而使其广泛应用于移动设备、固态照明和平板显示器,特别是在宽色域发光器件中的应用。目前红、绿、蓝三色QLED的最大外量子效率(EQE)分别达到21.6%、22.9%以及19.8%。主流的QLED器件广泛采用聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)作为空穴注入材料。由于PEDOT:PSS的酸性和吸湿性,会对ITO电极造成腐蚀进而影响器件的寿命。为了解决这一问题,过渡金属氧化物(NiO、MoO3、V2O5、WO3等)作为新型的空穴注入材料取代或者修饰PEDOT:PSS逐渐引起人们的关注。和基于PEDOT:PSS的QLED器件相比,这些过渡金属氧化物构筑的器件虽然稳定性得到了有效提高,但由于其电荷输运能力不佳以及与发光层间高的空穴注入势垒,引起电子、空穴注入不平衡,造成器件效率低下。为了解决过渡金属氧化物导电能力不佳、空穴注入势垒高引起的器件效率低下问题,本论文选择导带位置与PEDOT:PSS的HUMO能级最为接近的V2O5为空穴注入层,主要围绕溶胶凝胶法合成的V2O5在QLED器件中的应用展开论述,以发光峰位在524nm位置的ZnCdSeS/ZnS量子点为发光层。通过双层空穴注入层梯度化能级的设计和Ti离子掺杂等手段,提高空穴的注入能力,达到电子-空穴注入平衡的效果,促使器件性能和使用寿命都大幅度提高。本论文的主要工作归纳为以下三部分:(1)溶胶凝胶法合成V2O5作为空穴注入层构筑QLED器件采用三异丙醇氧钒作为前驱体,异丙醇为溶剂,通过溶胶凝胶法制备V2O5。经过简单的旋涂法成膜,并将其薄膜作为空穴注入层(HIL)构筑绿光QLED器件。通过优化薄膜厚度、退火温度、紫外臭氧处理时间等调控V2O5薄膜中氧空位的比例,并优化其余各功能层厚度,调控器件性能。结果表明当前驱体与溶剂体积比为1:70,在130℃退火,紫外臭氧照射处理10 min后制备的V2O5薄膜粗糙度小于1.0 nm。当其作为空穴注入层取代PEDOT:PSS时,构筑的QLED器件最大亮度为81690 cd/m2、最大电流效率和最大EQE分别为36.11 cd/A和9.09%。(2)V2O5/PEDOT:PSS双层空穴注入层构筑QLED器件基于第二章的工作,引入V2O5/PEDOT:PSS双层空穴注入层,同时以V2O5和PEDOT:PSS为参比,构筑三种不同HIL的QLED器件。紫外光电子能谱(UPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)结果表明V2O5/PEDOT:PSS双层空穴注入层结构不仅可以在阳极与空穴传输层之间形成阶梯化能级,降低空穴注入势垒,进而提高空穴注入效率。而且还可以抑制PEDOT:PSS的酸性对ITO阳极的腐蚀,从而提高器件的寿命。与标准器件(PEDOT:PSS)相比,双层空穴注入层构筑的QLED器件的最大电流效率和EQE达到71.62 cd/A和18.09%,分别提高了30.6%和31.2%,同时寿命也提高了2倍,由标准器件的6771 h提高到13355 h。(3)Ti掺杂V2O5作为空穴注入层构筑QLED器件利用溶胶凝胶法以三异丙醇氧钒和四异丙醇钛作为前驱体,以异丙醇为溶剂合成Ti掺杂V2O5(Ti-V2O5),并对其进行X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线衍射分析仪(XRD)、UPS等一系列表征。通过控制两种前驱体混合比例调节Ti掺杂量,调控Ti-V2O5的电荷传输特性和电子结构。结果表明当Ti的掺杂比例为1.0%时,V2O5导带位置下移至4.94 eV。和V2O5薄膜相比,在6 V电压下,Ti-V2O5薄膜的微区电流从pA量级提高到nA量级。当Ti-V2O5薄膜作为HIL构筑QLED器件时,可以有效降低空穴注入势垒,提高空穴注入能力。通过后续优化臭氧处理时间、退火温度、薄膜的厚度等,最终QLED器件的最大电流效率和EQE分别为52.28 cd/A和13.35%,工作寿命达到45027 h。
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