通过引入部分氧化铝阴极增强纯蓝量子点发光二极管的电子注入与激子限制

为了规避辐射复合，实现空穴与电极向发光量子点层的平衡注入，对于基于量子点的发光二极管的颜色纯度、稳定性和效率至关重要。我们提出了一种部分氧化的铝阴极，以在激子限制条件下增强电极注入，用于高性能蓝色量子点发光二极管。该技术的主要优势在于器件中无需引入额外的电子传输层，从而保证了颜色纯度并简化了制备工艺。

本实验操作将由我实验室的研究生 Wenda Sun 演示。开始实验时，将一块尺寸为 12 厘米 × 12 厘米、表面涂有氧化铟锡（ITO）且方阻约为 10 欧姆/平方的玻璃切割成宽度为 15 毫米的条状。随后使用无尘布和纯乙醇清洁 ITO 玻璃条。

让ITO玻璃自然风干。使用数字万用表检查ITO玻璃导电面是否存在缺陷。使用标准胶带沿ITO玻璃条的中心纵向覆盖一条宽两毫米的区域。

然后，将ITO玻璃放入浅的耐酸容器中，例如培养皿。将锌粉撒在ITO玻璃上，厚度约为0.5毫米。倒入质量分数为36%的盐酸，直至玻璃和锌粉完全浸没。

让刻蚀反应进行15秒。然后，倒掉盐酸溶液。立即用自来水彻底冲洗刻蚀后的ITO玻璃。

用无尘布擦干玻璃，并去除胶带。将刻蚀后的 ITO 玻璃浸入丙酮中 15 分钟。用棉球清除 ITO 玻璃上的任何残留胶质。

然后，使用玻璃刀将ITO玻璃切割成15毫米×15毫米的片状。依次将ITO玻璃片在稀释的洗涤剂溶液、自来水、去离子水、丙酮和异丙醇中分别超声处理15分钟。随后，在氮气流下将ITO玻璃片吹干。

将样品在空气中置于150摄氏度的烘箱中进一步干燥5分钟。干燥完成后，将样品在空气中保存。在制备前，于充满氮气且无水分的手套箱中，向25毫克聚-TPD中加入1毫升邻二氯苯。

室温下搅拌混合物过夜。开始制备薄膜层时，从储存的冰箱中取出一份一比六的PEDOT:PSS溶液。将PEDOT:PSS溶液在室温下搅拌20分钟。

在搅拌 PEDOT:PSS 溶液的同时，将一块洁净干燥的 ITO 玻璃基底放入紫外臭氧仪中处理 15 分钟。待搅拌和紫外臭氧处理均完成后，用 10 毫升注射器吸取约 2 毫升均匀分散的 PEDOT:PSS 溶液。为该注射器配备一个 0.45 微米的聚醚砜滤膜过滤器。

将处理过的ITO玻璃基底固定在旋涂仪载物台的中心位置。在ITO玻璃上滴加两滴过滤后的PEDOT:PSS溶液，以3,000 RPM的转速旋涂30秒。

然后，将涂有 PEDOT:PSS 的 ITO 玻璃在 150 摄氏度下退火 15 分钟，得到厚度为 30 纳米的 PEDOT:PSS 薄膜。将退火后的 PEDOT:PSS 涂层基底转移至充满氮气的手套箱中的旋涂仪上。取 35 微升浓度为 25 毫克/毫升的聚-TPD 溶液滴加到基底上。

将基底以 3,000 RPM 转速旋涂 30 秒，并在 150 摄氏度下烘烤 30 分钟，得到厚度为 40 纳米的聚-TPD 薄膜。接着，在手套箱中，将 4.29 毫克由硫化锌包覆、并以短链辛硫醇封端的硫化锌-硫化镉量子点溶解于 300 微升甲苯中。将涂有聚-TPD 的基底固定在旋涂仪载片夹的中心位置。

将35微升量子点溶液滴加到基底上。以3,000 RPM转速旋涂基底30秒，获得厚度为40纳米的硫化锌-硫化镉薄膜，其表面覆盖有硫化锌量子点。将基底存放在充满氮气的无水无氧手套箱中。

在铝金属沉积之前，使用窄刮刀（如刻刀）刮除每个已制备基底上两毫米宽的ITO涂层条带区域内的PEDOT:PSS、poly-TPD以及由硫化锌量子点层包覆的硫化锌-硫化镉涂层。用带有图案的金属掩膜覆盖基底，并将带掩膜的基底转移至热蒸发腔室。当腔室压力达到或低于10⁻⁴帕时，以每秒一埃的速率沉积10纳米厚的铝层，形成铝电极。

开始铝电极自氧化过程时，将器件置于连接至无水气体混合物（80% 氮气和 20% 氧气）容器的真空烘箱中。将烘箱压力降低至约 267 帕斯卡。然后，使用无水氮气-氧气混合气体将烘箱加压至 3 × 10⁴ 帕斯卡。

在室温下将器件氧化所需时间以获得蓝色量子点发光二极管（QD-LED）。将器件存放在充满氮气且无水的惰性气氛手套箱中。自动氧化的铝阴极的X射线光电子能谱可拟合为三个峰，分别对应于金属铝离子、三氧化二铝的γ相以及非晶态氧化铝。

时间分辨光致发光光谱显示，经氧化铝修饰的铝基量子点样品的荧光寿命长于仅经铝修饰的量子点样品，这归因于电子注入效率的提升以及量子点中非辐射复合过程的抑制。采用纯铝阴极的量子点发光二极管（QD-LED）器件发光亮度较低，原因是电荷注入效率低下。引入一层15纳米厚的铝Q3层以促进电子传输后，器件亮度提升至1300坎德拉每平方米。

氧化处理显著提升了器件性能，铝/氧化铝器件在氧化12小时后达到了13,002 坎德拉每平方米的最大亮度和1.15 坎德拉每安培的最大电流效率。由于其增强的电子注入能力和空穴阻挡能力，铝/氧化铝器件能够在高电流密度下抑制激子淬灭。该器件的发光峰位于457.3纳米，半峰全宽为21.4纳米，表明发出的是纯蓝色光，无寄生电致发光发射。

在施加不同偏压的情况下，发射保持稳定。我们最初产生这种方法的想法，源于对相关研究的研读：铝阴极暴露于空气中可提升蓝色量子点器件的性能。通过采用部分氧化的阴极，已成功实现了基于硫化锌包覆的蓝光锌-镉-硫化物量子点发光二极管的发光。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在12小时内完成。在实施该步骤时，务必严格控制氧化时间。在完成该步骤后，可进一步采用其他方法，例如引入额外的电子传输层，以进一步提升器件性能。

该技术问世后，为蓝光量子点发光二极管（QD-LED）领域的研究人员探索采用氧化铝阴极以提升器件性能开辟了道路。观看本视频后，您将充分掌握如何通过一种易于控制的氧化工艺来制备高性能QD-LED。