Methodenartikel

Verbeterde Electron injectie en Exciton opsluiting voor zuivere blauwe Quantum-Dot-lichtdioden door de invoering van gedeeltelijk geoxideerd aluminium Cathode

8.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/57260

⸱

31 mei 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, 2Department of Mathematics, Quaid-I-Azam University, 3NAAM Research Group, Faculty of Science, King Abdulaziz University

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol wordt gepresenteerd voor het fabriceren van hoogwaardige, zuiver blauw ZnCdS/ZnS gebaseerde quantum dots lichtdioden door gebruik te maken van een autoxidized aluminium kathode.

Samenvatting

Stabiel en efficiënt rood (R), groen (G) en blauwe (B)-lichtbronnen op basis van oplossing-verwerkte quantumdots (QDs) spelen belangrijke rollen in de volgende-generatie displays en Solid state lighting-technologieën. De helderheid en efficiëntie van blauwe QDs gebaseerde lichtgevende dioden (LEDs) blijven inferieur aan hun rode en groene collega's, als gevolg van de inherent ongunstige energieniveaus van verschillende kleuren van het licht. Het oplossen van deze problemen, moet een opbouw van het apparaat worden ontworpen om het evenwicht van de injectie gaten en elektronen in de emissieve QD laag. Hierin, door middel van een eenvoudige autoxidation strategie, zuivere blauwe QD-LEDs die zeer helder en efficiënt zijn worden gedemonstreerd, met een structuur van ITO / PEDOT:PSS / Poly-TPD/QDs/Al: Al2O3. De autoxidized Al: Al2O3 kathode kan effectief evenwicht van de geïnjecteerde kosten en verbeteren radiatieve recombinatie zonder de invoering van een extra elektronentransport laag (ETL). Dientengevolge, worden hoge verzadigde kleur blauw QD-LEDs bereikt met een maximale luminantie over 13.000 cd m-2, en een maximale huidige efficiëntie van 1,15 cd A-1. De gemakkelijk-gecontroleerde autoxidation procedure baant de weg voor het bereiken van krachtige blauwe QD-LEDs.

Inleiding

Lichtgevende dioden (LEDs) op basis van colloïdale halfgeleider quantumdots hebben grote belangstelling vanwege hun unieke voordelen, met inbegrip van oplossing verwerkbaarheid, afstembare emissie golflengte, uitstekende kleur zuiverheid, flexibele fabricage en lage verwerking kosten1,2,3,4. Sinds de eerste demonstraties van QDs gebaseerde LEDs in 1994, hebben enorme inspanningen besteed aan de materialen en het apparaat structuren5,6,7engineering. Een typische QD-LED-apparaat is ontworpen voor het hebben van een architectuur van drie lagen sandwich die uit een gat transportlaag (HTL), een emissieve laag, en een elektron transportlaag (ETL bestaat). De keuze van een geschikt gratis transportlaag is cruciaal voor het balanceren van de geïnjecteerde gaten en elektronen in de emissieve laag voor radiatieve recombinatie. Momenteel, worden kleine molecules vacuüm-gestort veel gebruikt als ETL, bijvoorbeeld bathocuproine (BCP), tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) en 3-(biphenyl-4-yl)-5-(4-tertbutylphenyl)-4-phenyl-4H-1,2,4-triazole (TAZ)8. De onevenwichtige vervoerder injectie vaak veroorzaakt echter de verschuiving van de regio recombinatie aan ETL, waardoor ongewenste parasitaire elektroluminescentie (EL) emissie en verslechtert de apparaat prestaties9.

Ter verhoging van de efficiëntie van het apparaat en de ecologische stabiliteit, oplossing-verwerkte ZnO nanopartikels geïntroduceerd als een laag elektronentransport in plaats van de kleine-molecuul vacuüm-gestort materialen. Zeer lichte RGB QD-LEDs werden gedemonstreerd voor conventioneel apparaat architectuur, luminantie tot 31.000, 68.000 en 4.200 cd m-2 voor emissie van oranje-rood, groen en blauw, respectievelijk10toont. Voor een omgekeerde architectuur, zijn krachtige RGB QD-LED's met lage spanning zet succesvol gebleken met helderheid en externe quantum efficiency (EQE) van 23,040 cd m-2 en 7,3% voor rood, 218,800 cd m-2 en 5,8% voor groen, en 2250 cd m-2 en 1,7% voor blauw, respectievelijk11. Om het evenwicht van de geïnjecteerde kosten en behoud van de QDs emissieve laag, was een isolerende poly(methylmetacrylaat) (PMMA) dunne film tussen de QDs en ZnO ETL ingevoegd. De geoptimaliseerde diep-rode QD-LEDs tentoongesteld hoge externe quantum efficiency tot 20,5% en een lage turn-on spanning van slechts 1,7 V12.

Bovendien, het optimaliseren van de opto-elektronische eigenschappen en nanostructuren van QDs speelt ook een cruciale rol in het stimuleren van de Apparaatprestaties. Bijvoorbeeld, sterk fluorescerende blauw QDs met fotoluminescentie quantum opleveren (PLQE) tot 98% waren gesynthetiseerd door het optimaliseren van de beschietingen van tijd13ZnS. Evenzo, kwalitatief hoogwaardige, violetblauw QDs met in de omgeving van 100% PLQE werden gesynthetiseerd door het juist beheersen van de temperatuur van de reactie. De violet-blauwe QDs-LED apparaten toonde opmerkelijke luminantie en EQE omhoog tot 4200 cd m-2 en 3,8%, respectievelijk14. Deze synthese methode geldt ook voor violette ZnSe/ZnS kern/shell QDs, de QD-LEDs tentoongesteld hoge luminantie (2,632 cd m-2) en -efficiëntie (EQE=7.83%) met behulp van Cd-vrije QDs15. Aangezien blauwe quantumdots met hoge PLQE hebben aangetoond, speelt hoge kosten-efficiëntie van de injectie in de QDs laag een andere cruciale rol in het fabriceren van hoogwaardige QD-LEDs. Te vervangen door lange keten oliezuur liganden om te verkorten 1-octanethiol-liganden, de mobiliteit van de elektron van QDs film was toegenomen twee-voudige, en een hoge EQE waarde meer dan 10% werd verkregen van16. De oppervlakte ligand-uitwisseling kan ook verbetering van de morfologie van QDs film en onderdrukken de fotoluminescentie blussen onder QDs. Bijvoorbeeld, toonde QDs-LED verbeterde Apparaatprestaties met behulp van chemisch geënte QDs-halfgeleidende polymeer hybriden17. Bovendien, krachtige QDs werden voorbereid door middel van redelijke optimalisatie van de gesorteerde samenstelling en de dikte van de shell QDs, als gevolg van de verbeterde lading injectie, vervoer en recombinatie18.

In dit werk introduceerden we een gedeeltelijke autoxidized aluminium (Al) kathode ter verbetering van de prestaties van ZnCdS/ZnS ingedeeld op basis van core/shell blauwe QD-LEDs19. De verandering van de barrière van de potentiële energie van de kathode Al werd bevestigd door de ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) en X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Bovendien, de snelle opladen vervoerder dynamiek op het QDs/Al en QDs / Al: Al2O3 interface door time-resolved fotoluminescentie (TRPL) metingen werden geanalyseerd. Om de invloed van gedeeltelijk geoxideerd Al op Apparaatprestaties, QD-LEDs met verschillende kathoden verder te valideren (alleen Al, Al: Al2O3, Al2O3/Al, Al2O3/Al:Al2O3, en Alq3/Al) werden vervaardigd. Dientengevolge, hoge prestaties puur blauw QD-LEDs werden gedemonstreerd door gebruik te maken van Al: Al2O3 kathoden, met een maximale luminantie van 13,002 cd m-2 en de huidige efficiëntie van een piek van 1,15 cd A-1. Bovendien was er geen extra organische ETL betrokken in de architectuur, die ongewenste parasitaire EL te garanderen van de zuiverheid van de kleur onder verschillende werken spanningen kan voorkomen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. patroon etsen van Indium Tin Oxide (ITO) glas

  1. Gesneden grote stukken van ITO glas (12 cm × 12 cm) 15 mm brede stroken. Reinig het glasoppervlak van de ITO met behulp van een stofvrije doek met alcohol.
  2. Neem contact op de geleidende kant van de ITO-glas met een digitale multimeter. Betrekking hebben op het actieve gebied van het ITO-glas met plakband, zodat het actieve gebied 2 mm breed in het midden is.
  3. Giet de zinkpoeder op het glas van de ITO (met een dikte van ongeveer 0,5 mm).
  4. Giet de oplossing met zoutzuur (36 wt %) op het oppervlak van het glas van de ITO en sta toe het ITO-glas naar volledig genieten in zoutzuur en etch voor 15 s.
  5. De zoutzuuroplossing na corrosie uitstorten, dan onmiddellijk het ITO-glas met water afspoelen. Verwijder het plakband op de ITO-glas.

2. het reinigen van de ITO-glas

  1. Dompel het glas van de ITO in een petrischaal met aceton oplossing voor 15 min. veeg uit de lijm op het glas van de ITO met behulp van een katoenen bal.
  2. Snijd het ITO-glas in vierkante stukjes (ongeveer 15 mm × 15 mm) met een glassnijder.
  3. Bewerk ultrasone trillingen ten het ITO-glas volgorde van wasmiddel water, leidingwater, gedeïoniseerd water, aceton, en isopropylalcohol gedurende 15 minuten.
  4. Föhn het ITO-glas met stikstofgas gevolgd door drogen in een oven op 150 ° C gedurende 5 minuten in de lucht sfeer.
  5. De schoongemaakte ITO glas brengen een ultraviolet-ozon kamer en behandelen gedurende 15 minuten.

3. de fabricage van een gat injectie laag

  1. Neem de poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) oplossing uit de koelkast. Roer de oplossing om PEDOT:PSS bij kamertemperatuur gedurende 20 minuten een gelijkmatig verspreide oplossing te verkrijgen.
    Opmerking: De UV-ozon behandeling (sectie 2.5) en de agitatie van PEDOT:PSS oplossing moeten worden uitgevoerd gelijktijdig om te voorkomen dat UV-ozon behandeling mislukking. Kamer temperatuur van 25 ° C.
  2. Neem ongeveer 2 mL van PEDOT:PSS oplossing met een 10 mL spuit, en installeer een 0,45 µm polyether sulfon (PES) filter op de spuit.
  3. Plaats het ITO-glas in het midden van de spin-coater. Giet twee druppels van de oplossing van de PEDOT:PSS op het ITO-glas.
  4. Spin-coat de gefilterde PEDOT:PSS oplossing op het substraat van de ITO bij 3000 t/min voor 30 s en vervolgens het ontharden van het PEDOT:PSS-ITO bekleed bij 150 ° C gedurende 15 minuten te geven een 30 nm PEDOT:PSS film.

4. de fabricage van een Hole-transportlaag

Opmerking: De transportlaag gat en de emissieve laag zijn vervaardigd in een stikstof gevulde handschoen-doos met gecontroleerde zuurstof en water concentratie lager dan 50 ppm.

  1. Los poly(N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)-benzidine) (Poly-TPD) in o-dichloorbenzeen (1 mL) met een concentratie van 25 mg mL-1. Roer bij kamertemperatuur 's nachts in de stikstof gevulde handschoen-box.
  2. Giet 35 µL van Poly-TPD oplossing op de PEDOT:PSS-gecoat ITO. Spin-coat de Poly-TPD oplossing bij 3000 t/min voor 30 s geven een 40 nm Poly-TPD-film, en dan gloeien bij 150 ° C gedurende 30 min.

5. de fabricage van een emissieve laag

  1. Los ZnCdS/ZnS quantumdots in tolueen oplossing (300 µL) met een concentratie van 14.3 mg mL-1.
  2. Giet 35 µL van de ZnCdS/ZnS-oplossing op de top van de Poly-TPD. Spin-jas de ZnCdS/ZnS oplossing bij 3000 t/min voor 30 s geven een 40 nm-film.
    Opmerking: Bakken is niet nodig.

6. vacuüm depositie

  1. Na een druk van 10-4 Pa is bereikt, storten de aluminium Tris(8-Hydroxyquinolinate) (Alq3) op de ondergronden met een snelheid van 0,3 Å s-1 in een thermische verdamping kamer te geven een 15 nm Alq3 film.
    Opmerking: De Alq3 is gedeponeerd alleen voor de opbouw van het apparaat van ITO / PEDOT:PSS / Poly-TPD/QDs/Alq3/Al.
  2. Een brede actieve laag van 2 mm Schraap met een schraper het ITO glas substraat bloot te stellen.
  3. Plaats de substraten in een metalen masker en ze vervolgens overbrengen naar een thermische verdamping kamer. Storten van de aluminium-elektrode met een snelheid van 1 Å s-1 te geven een 100 nm Al film.

7. Autoxidation Procedure

  1. Breng de kathode Al-bereid in een vacuüm oven en dan pomp lucht uit de oven totdat het is bijna een vacuüm.
  2. Open de klep van de deflatie en injecteren watervrij samengestelde lucht (O2= 20%, N2= 80%) in de vacuüm oven met een druk van 3 × 104 Pa. oxideren voor 0, 4.5, 12 en 17 h bij kamertemperatuur (in de oven).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

UV-Vis absorptie en fotoluminescentie (PL) spectra werden gebruikt voor het opnemen van de optische eigenschappen van ZnCdS/ZnS ingedeeld kern/shell-gebaseerd blauwe QDs. Transmissie Electronenmicroscopie (TEM) en scanning elektronen microscopie (SEM) beelden werden verzameld voor de morphologies van QDs (Figuur 1). X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), elektrochemische studie en ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) werden ingezet om de structurele ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De architectuur van de blauwe QD-LED uit een ITO transparante anode, een PEDOT:PSS HIL bestaat (30 nm), een Poly-TPD HTL (40 nm), een ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm), en een Al: Al2O3 kathode (100 nm). Vanwege het poreuze karakter van de Al-kathode verkregen we een kathode Al geoxideerd door blootstelling aan zuurstof. Figuur 2e en 2f figuur weergeven het energieniveau uitlijning diagrammen van QDs laag met Al en Al: Al2O3 W...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Wij hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door de NSFC (51573042), The National sleutel Basic Research programma van China (973 project, 2015CB932201), fundamentele middelen voor onderzoek voor de centrale universiteiten, China (JB2015RCJ02, 2016YQ06, 2016MS50, 2016XS47).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Indium Tin Oxide (ITO)-coated glass
substraat		CSG Holding Co., Ltd.Weerstand≈10 Ω/sq
ZinkpoederSigma-Aldrich96454Moleculaire massa 65,38
IsopropylalcoholBeijing Chemical Reagent67-63-0Analytisch zuiver
TolueenInnochemI01367Analytisch zuiver
AcetonInnochemI01366Analytisch zuiver
Zoutzuuracros1242100251 N standaardoplossing
O-dichloorbenzeenacros39696100098+%, Extra Dry
Poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) gedood polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS)H. C.StarkClevious P VP Al 4083
Poly(N,N′-bis(4-butylfenyl)-N,N′-bis(fenyl)-benzidine) (Poly-TPD)Luminescence TechnologyLT-N149
Aluminium tris(8-hydroxyquinoline) (Alq3)Luminescence TechnologyLT-E401
UV-O cleanerJelight Company92618
FilterJintengJTSF0303/0304Polyether sulfone (0,45 μm)
Ultrasoon reinigerHECHUANG ULTRASONICKH-500DE
Digitaal multimeterUNI-TUT39A
Spin coaterIMECASKW-4A
Digitale hotplateStuartSD160

Referenties

  1. Shirasaki, Y., Supran, G. J., Bawendi, M. G., Bulović, V. Emergence of colloidal quantum-dot light-emitting technologies. Nat. Photonics. 7 (1), 13-23 (2012).
  2. Chen, O., Wei, H., Maurice, A., Bawendi, M., Reiss, P. Pure colors from core-shell quantum dots. MRS Bull. 38 (09), 696-702 (2013).
  3. Dai, X., Deng, Y., Peng, X., Jin, Y. Quantum-Dot Light-Emitting Diodes for Large-Area Displays: Towards the Dawn of Commercialization. Adv. Mater. 29 (14), (2017).
  4. Wang, L., et al. High-performance azure blue quantum dot light-emitting diodes via doping PVK in emitting layer. Org. Electron. 37, 280-286 (2016).
  5. Colvin, V., Schlamp, M., Alivisatos, A. P. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer. Nature. 370 (6488), 354-357 (1994).
  6. Tan, Z., et al. Colloidal nanocrystal-based light-emitting diodes fabricated on plastic toward flexible quantum dot optoelectronics. J. Appl. Phys. 105 (03), 034312(2009).
  7. Tan, Z., et al. Bright and color-saturated emission from blue light-emitting diodes based on solution-processed colloidal nanocrystal quantum dots. Nano Lett. 7 (12), 3803-3807 (2007).
  8. Lee, C. -L., Nam, S. -W., Kim, V., Kim, J. -J., Kim, K. -B. Electroluminescence from monolayer of quantum dots formed by multiple dip-coating processes. physica status solidi (b). 246, 803-807 (2009).
  9. Lee, T. -C., et al. Rational Design of Charge-Neutral, Near-Infrared-Emitting Osmium(II) Complexes and OLED Fabrication. Advanced Functional Materials. 19, 2639-2647 (2009).
  10. Qian, L., Zheng, Y., Xue, J., Holloway, P. H. Stable and efficient quantum-dot light-emitting diodes based on solution-processed multilayer structures. Nat. Photonics. 5 (9), 543-548 (2011).
  11. Kwak, J., et al. Bright and efficient full-color colloidal quantum dot light-emitting diodes using an inverted device structure. Nano Lett. 12 (5), 2362-2366 (2012).
  12. Dai, X., et al. Solution-processed, high-performance light-emitting diodes based on quantum dots. Nature. 515 (7525), 96-99 (2014).
  13. Lee, K. -H., Lee, J. -H., Song, W. -S., Ko, H., Lee, C., Lee, J. -H., Yang, H. Highly efficient, color-pure, color-stable, blue quantum dots light-emitting devices. ACS Nano. 7 (8), 7295-7302 (2013).
  14. Shen, H., et al. High-efficient deep-blue light-emitting diodes by using high quality ZnxCd1-xS/ZnS core/shell quantum dots. Adv. Funct. Mater. 24 (16), 2367-2373 (2014).
  15. Wang, A., et al. Bright, efficient, and color-stable violet ZnSe-based quantum dot light-emitting diodes. Nanoscale. 7 (7), 2951-2959 (2015).
  16. Shen, H., et al. High-efficiency, low turn-on voltage blue-violet quantum-dot-based light-emitting diodes. Nano Lett. 15 (2), 1211-1216 (2015).
  17. Fokina, A., et al. The role of emission layer morphology on the enhanced performance of light-emitting diodes based on quantum dot-semiconducting polymer hybrids. Adv. Mater. Interfaces. 3 (18), 1600279(2016).
  18. Yang, Y., et al. High-efficiency light-emitting devices based on quantum dots with tailored nanostructures. Nat. Photonics. 9, 259-266 (2015).
  19. Cheng, T., et al. Pure Blue and Highly Luminescent Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement via Partially Oxidized Aluminum Cathode. Adv. Opt. Mater. 5 (11), 1700035(2017).
  20. Rotole, J. A., Sherwood, P. M. A. Gamma-Alumina (γ-Al2O3) by XPS. Surf. Sci. Spectra. 5 (1), 18-24 (1998).
  21. Liu, J., Yang, W., Li, Y., Fan, L., Li, Y. Electrochemical studies of the effects of the size, ligand and composition on the band structures of CdSe, CdTe and their alloy nanocrystals. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (10), 4778-4788 (2014).
  22. Abbaszadeh, D., Wetzelaer, G. A. H., Doumon, N. Y., Blom, P. W. M. Efficient polymer light-emitting diode with air-stable aluminum cathode. J. Appl. Phys. 119 (9), 095503(2016).
  23. Yu, L., et al. Optimization of the energy level alignment between the photoactive layer and the cathode contact utilizing solution-processed hafnium acetylacetonate as buffer layer for efficient polymer solar cells. Acs Appl. Mater. Interfaces. 8 (1), 432-441 (2016).
  24. Li, F., Tang, H., Anderegg, J., Shinar, J. Fabrication and electroluminescence of double-layered organic light-emitting diodes with the Al2O3/Al cathode. J. Shinar, Appl. Phys. Lett. 70 (10), 1233-1235 (1997).
  25. Bai, Z., et al. Hydroxyl-Terminated CuInS2 Based Quantum Dots: Toward Efficient and Bright Light Emitting Diodes. Chemistry of Materials. 28, 1085-1091 (2016).
  26. Wang, Z., et al. Efficient and Stable Pure Green All-Inorganic Perovskite CsPbBr3 Light-Emitting Diodes with a Solution-Processed NiOx Interlayer. The Journal of Physical Chemistry C. , (2017).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Blauwe quantum dot LED sverbetering van elektroneninjectieautoxidatieprocedureverbetering van de ladingsbalanszuiver blauwe emissieapparaten met hoge luminantieverbetering van de stromeffici ntie

Gerelateerde artikelen