Verbesserte Elektroneninjektion und Exciton Entbindung für reine blaue Quantenpunkt-Leuchtdioden durch die Einführung von teilweise oxidierte Aluminium Kathode

Zusammenfassung

Ein Protokoll wird für die Herstellung von Hochleistungs-, reine blau ZnCdS/ZnS-basierte Quantum Dots Leuchtdioden durch den Einsatz einer Autoxidized Aluminium Kathode vorgestellt.

Zusammenfassung

Stabile und effiziente rot (R), grün (G) und blau (B) Lichtquellen basierend auf Lösung verarbeitet Quantenpunkte (QDs) spielen eine wichtige Rolle in der nächsten Generation Displays und Solid-State Lighting Technologies. Die Helligkeit und Effizienz der blauen QDs-basierten Leuchtdioden (LEDs) bleiben ihre roten und grünen Kollegen, durch die von Natur aus ungünstige Energieniveaus der verschiedenen Lichtfarben unterlegen. Um diese Probleme zu lösen, sollte ein Gerätestruktur entworfen werden, die Injektion Löcher und Elektronen in die emissiven QD-Schicht auszugleichen. Hierin, durch eine einfache Autoxidation Strategie reine blaue QD-LEDs sind sehr hell und effizient werden demonstriert, mit einer Struktur von ITO / Ausbildungsstellen / Poly-TPD/QDs/Al: Al₂O₃. Autoxidized Al: Al₂O₃ Kathode kann effektiv die injizierten Gebühren balance und Strahlungs Rekombination erhöhen, ohne die Einführung einer zusätzlichen Elektron Transportschicht (ETL). Dadurch werden hohe Farbe gesättigt blau QD-LEDs mit einer maximalen Helligkeit über 13.000 cd m^-2und eine maximale Stromausbeute von 1,15 cd A^-1erreicht. Leichtführig Autoxidation Verfahren ebnet den Weg für die Verwirklichung von Hochleistungs-blaue QD-LEDs.

Einleitung

Leuchtdioden (LEDs) basierend auf kolloidalen Halbleiter-Quantenpunkte haben großes Interesse aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile, einschließlich Lösung Verarbeitbarkeit, Durchstimmbare Emissionswellenlänge hervorragende Farbreinheit, flexible Fertigung und niedrige angezogen. Verarbeitung kostet^1,2,3,4. Seit die ersten Demonstrationen von QDs-basierten LEDs im Jahr 1994 haben enorme Anstrengungen gewidmet engineering Materialien und Gerät Strukturen^5,6,7. Ein typisches QD-LED-Gerät soll eine dreischichtigen Sandwich-Architektur besteht aus einem Loch-Transportschicht (HTL), eine emissiven Schicht und ein Elektron Transportschicht (ETL) haben. Die Wahl der geeigneten kostenlos Transportschicht ist entscheidend für die injizierten Löcher und Elektronen in den emissiven Layer für Strahlungs Rekombination auszugleichen. Derzeit sind kleine Moleküle Vakuum hinterlegt als ETL, z. B. Bathocuproine (BCP), tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq-₃) und 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole (TAZ)⁸verbreitet. Allerdings bewirkt die unausgewogene Träger Injektion oft die Rekombination Region Verschiebung, ETL, wodurch unerwünschte parasitäre Elektrolumineszenz (EL) Emission und der sich verschlechternden Gerät Leistung⁹.

Um das Gerät Effizienz und ökologische Stabilität zu erhöhen, wurden Lösung verarbeitet ZnO Nanopartikel als Elektronentransport Schicht anstatt Vakuum hinterlegt kleine Molekül Materialien eingeführt. Extrem helles RGB QD-LEDs wurden für herkömmliches Gerät Architektur demonstriert Leuchtkraft bis zu 31.000, 68.000 und 4.200 cd m^-2 für Emission von Orange-rot, grün und blau, jeweils¹⁰zeigen. Für eine invertierte Gerät Architektur Hochleistungs-RGB-QD-LEDs mit niedriger schalten Spannung wurden erfolgreich demonstriert mit Helligkeit und externer Quanten-Effizienz (EEP) von 23.040 cd m^-2 und 7,3 % für Rot, 218.800 cd m^-2 und 5,8 % für Grün, und 2.250 cd m^-2 und 1,7 % für blau, bzw.¹¹. Die injizierten Gebühren zu balancieren und bewahren die QDs emissiven Schicht, war eine dünne poly(methylmethacrylate) (PMMA)-Isolierfolie zwischen QDs und ZnO ETL eingefügt. Die optimierte tiefrote QD-LEDs ausgestellt hohe externe Quantum Wirkungsgrade bis zu 20,5 % und einer geringen Turn-on-Spannung von nur 1,7 V¹².

Optimierung der optoelektronischen spielt Eigenschaften und Nanostrukturen QDs auch eine entscheidende Rolle bei der Förderung der Geräteleistung. Zum Beispiel stark fluoreszierende blau QDs mit Photolumineszenz Quantum yield (PLQE) bis zu 98 % durch Optimierung der Beschuss Zeit¹³ZnS synthetisiert wurden. In ähnlicher Weise qualitativ hochwertige, violett-blau QDs mit in der Nähe von 100 % PLQE durch die präzise Steuerung der Reaktionstemperatur synthetisiert wurden. Die violett-blauen QDs-LED Geräte zeigte bemerkenswerte Leuchtdichte und EEP bis zu 4.200 cd m^-2 und 3,8 % bzw.¹⁴. Diese Synthese-Methode gilt auch für violette ZnSe/ZnS Kern/Schale QDs, QD-LEDs ausgestellten hohe Leuchtdichte (2.632 cd m^-2) und Effizienz (EQE=7.83%) mithilfe von Cd-freie QDs¹⁵. Da blaue Quantenpunkte mit hohen PLQE nachgewiesen wurden, spielt hohen ladewirkungsgrad Injektion in die QDs Schicht eine weitere entscheidende Rolle bei der Herstellung von Hochleistungs-QD-LEDs. Mit der Substitution von lange Kette Ölsäure Liganden um 1-Octanethiol-Liganden zu verkürzen, die Elektron-Mobilität von QDs Film war erhöhte zweifach, und ein hoher EEP-Wert über 10 % wurde¹⁶erreicht. Der Oberfläche Ligand Austausch kann auch verbessern die Morphologie der QDs Film und unterdrücken die Photolumineszenz abschrecken unter QDs. Zum Beispiel zeigte QDs-LED verbesserte Geräteleistung mit chemisch veredelte QDs halbleitenden Polymer Hybriden¹⁷. Außerdem wurden durch angemessene Optimierung der abgestuften Zusammensetzung und Dicke der Schale QDs, aufgrund der verbesserten Ladungsinjektion, Transport und Rekombination¹⁸Hochleistungs-QDs vorbereitet.

In dieser Arbeit haben wir eine partielle Autoxidized Aluminium (Al) Kathode zur Verbesserung der Leistung von ZnCdS/ZnS benotet Kern/Schale-basierten blaue QD-LEDs¹⁹eingeführt. Die Änderung der potentiellen Energiebarriere der Al Kathode wurde durch ultraviolette Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) und Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) bestätigt. Darüber hinaus laden die schnelle Träger Dynamik am QDs/Al und QDs / Al: Al₂O₃ Schnittstelle analysiert wurden durch Zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL) Messungen. Um die Beeinflussung der teilweise oxidierten Al Geräteleistung, QD-LEDs mit unterschiedlichen Kathoden weiter zu validieren (nur Al, Al: Al₂O₃, Al₂O₃/Al, Al₂O₃/Al:Al₂O₃, und ALQ₃/Al) hergestellt wurden. Als Ergebnis, reines Blau Hochleistungs QD-LEDs gezeigt wurden, durch den Einsatz von Al: Al₂O₃ Kathoden mit einer maximale Leuchtdichte von 13.002 cd m^-2 und einem aktuellen Spitzenwirkungsgrad von 1,15 cd A^-1. Darüber hinaus war der Gerät-Architektur, die unerwünschte parasitäre EL garantieren die Reinheit der Farbe unter verschiedenen Arbeiten Spannungen zu vermeiden, können keine zusätzlichen organischen ETL beteiligt.

Protokoll

1. Muster Ätzen von Indium-Zinn-Oxid (ITO) Glas

1. Schneiden Sie große Stücke von ITO-Glas (12 cm × 12 cm) in 15 mm breite Streifen. Reinigen Sie die ITO Glas-Oberfläche mit einem staubfreien Tuch mit Alkohol.
2. Überprüfen Sie die leitende Seite der ITO-Glas mit einem digitalen Multimeter. Decken Sie die aktive Fläche des ITO-Glas mit Klebeband, so dass die aktive Fläche 2 mm breit in der Mitte ist.
3. Die Zink-Pulver auf dem ITO Glas (bis zu einer Dicke von ca. 0,5 mm).
4. Die Salzsäure-Lösung (36 Gew.-%) auf die Oberfläche der ITO-Glas gießen und lassen das ITO-Glas komplett in Salzsäure-Lösung einweichen, dann Ätzen für 15 s.
5. Gießen Sie die Salzsäure-Lösung nach Korrosion, dann spülen Sie das ITO-Glas mit Wasser. Entfernen Sie das Klebeband auf dem ITO Glas.

2. Reinigung der ITO-Glas

1. Tauchen Sie das ITO-Glas in einer Petrischale mit Aceton-Lösung für 15 min. Wischen aus der Klebstoff auf die ITO-Glas mit einem Wattebausch.
2. Geschnitten Sie das ITO-Glas in quadratische Stücke (ca. 15 mm × 15 mm) mit einem Glasschneider.
3. Beschallen Sie das ITO-Glas sequenziell in Waschmittel Wasser, Leitungswasser, deionisiertes Wasser, Aceton und Isopropyl-Alkohol für 15 min.
4. Föhnen Sie das ITO-Glas mit Stickstoffgas durch Trocknen im Backofen bei 150 ° C für 5 min in Luftatmosphäre gefolgt.
5. Das gereinigte ITO-Glas in einer UV-Ozon-Kammer und 15 min beschallen.

3. Herstellung einer Loch-Injektion-Schicht

1. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Ausbildungsstellen) Lösung aus dem Kühlschrank nehmen. Rühren Sie die Ausbildungsstellen Lösung bei Raumtemperatur für 20 min eine gleichmäßig verteilte Lösung zu erhalten.
   Hinweis: Die UV-Ozon-Behandlung (Abschnitt 2.5) und Agitation der Ausbildungsstellen Lösung sollten gleichzeitig durchgeführt werden, um UV-Ozon-Behandlung-Fehler zu vermeiden. Raumtemperatur bleibt bei 25 ° C.
2. Nehmen Sie etwa 2 mL Ausbildungsstellen Lösung mit einer 10 mL Spritze, und installieren Sie 0,45 µm Polyether Sulfon (PES) Filter auf der Spritze.
3. Platzieren Sie das ITO-Glas in der Mitte der der Spin Coater. Geben Sie zwei Tropfen der Ausbildungsstellen-Lösung auf die ITO-Glas.
4. Spin-Mantel die gefilterte Ausbildungsstellen-Lösung auf dem ITO-Substrat bei 3.000 u/min für 30 s und dann Tempern der Ausbildungsstellen-beschichtet ITO bei 150 ° C für 15 min, 30 nm Ausbildungsstellen Film zu geben.

4. Herstellung von Loch Transportschicht

Hinweis: Die Loch-Transportschicht und emissiven Schicht werden in Stickstoff gefüllten Glove-Boxen mit kontrollierten Sauerstoff und Wasser Konzentration unter 50 ppm hergestellt.

1. Poly(N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)-benzidine) (Poly-TPD) in o-Dichlorbenzol (1 mL) mit einer Konzentration von 25 mg mL^-1auflösen. Rühren Sie bei Raumtemperatur über Nacht in Stickstoff gefüllten Glove-Box.
2. Gießen Sie 35 µL Poly-TPD-Lösung auf die Ausbildungsstellen-ITO beschichtet. Spin-Mantel der Poly-TPD-Lösung bei 3.000 u/min für 30 s bis 40 nm Poly-TPD Film zu geben, und dann bei 150 ° C für 30 min Tempern.

5. Herstellung eines emissiven Layers

1. ZnCdS/ZnS Quantenpunkte in Toluol Lösung (300 µL) mit einer Konzentration von 14,3 mg mL^-1auflösen.
2. Gießen Sie 35 µL der ZnCdS/ZnS-Lösung auf den oberen Teil der Poly-TPD. Spin-Mantel der ZnCdS/ZnS-Lösung bei 3.000 u/min für 30 s, 40 nm Film zu geben.
   Hinweis: Backen ist nicht erforderlich.

(6) Vakuum Deposition

1. Nach ein Druck von 10^-4 Pa erreicht ist, hinterlegen Sie Aluminium Tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq₃) auf die Substrate mit einer Rate von 0,3 Å s^-1 in eine thermische Verdampfung Kammer 15 nm Alq₃ Film geben.
   Hinweis: Die Alq₃ lagert sich nur für die Gerätestruktur von ITO / Ausbildungsstellen / Poly-TPD/QDs/Alq₃/Al.
2. Reiben Sie einen 2 mm breiten auftauschicht mit einem Schaber, das ITO-Glas-Substrat verfügbar zu machen.
3. Die Substrate in eine metallene Maske und übertragen Sie sie in eine thermische Verdampfung Kammer. Hinterlegen Sie die Aluminium-Elektrode mit einer Rate von 1 Å s^-1 zu 100 nm Alu Folie.

7. die Autoxidation Verfahren

1. Übertragen Sie als vorbereitet Al Kathode in einem Vakuumofen, und dann Pumpen Sie Luft aus dem Ofen, bis es fast ein Vakuum ist.
2. Öffnen Sie das Ventil der Deflation und injizieren wasserfreie Verbindung Luft (O₂= 20 %, N₂= 80 %) in den Vakuumofen mit einem Druck von 3 × 10⁴ PA oxidieren für 0, 4.5, 12 und 17 h bei Raumtemperatur (im Backofen).

Ergebnisse

UV-Vis-Absorption und Photolumineszenz (PL) Spektren wurden verwendet, um die optischen Eigenschaften der ZnCdS/ZnS benotet Kern/Schale-basierten blaue QDs. Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) aufzeichnen und Scan Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bilder wurden gesammelt, für die Morphologien von QDs (Abbildung 1). Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS), elektrochemische Studie und UV Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) eingesetzt wurden, um die ...

Diskussion

Das Gerät Architektur des blauen QD-LED aus ITO transparent Anode, ein Ausbildungsstellen HIL besteht (30 nm), eine Poly-TPD-HTL (40 nm), ein ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm), und ein Al: Al₂O₃ Kathode (100 nm). Aufgrund des porösen Charakters der Al Kathode erhielten wir eine oxidierte Al-Kathode durch Sauerstoff ausgesetzt. Abb. 2e und 2f Abbildung anzeigen Energieniveau Ausrichtung Diagramme QDs Schicht mit Al und Al: Al₂O₃

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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