Artykuł metodologiczny

Ulepszony wtrysk elektronów i uwięzienie ekscytonów dla czystych niebieskich diod elektroluminescencyjnych z kropkami kwantowymi poprzez wprowadzenie częściowo utlenionej katody aluminiowej

8.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/57260

⸱

31 maja 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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół do produkcji wysokowydajnych, czystych niebieskich diod elektroluminescencyjnych opartych na kropkach kwantowych ZnCdS/ZnS poprzez zastosowanie katody z autooksydowanego aluminium.

Streszczenie

Stabilne i wydajne źródła światła czerwonego (R), zielonego (G) i niebieskiego (B) oparte na przetworzonych roztworze kropek kwantowych (QD) odgrywają ważną rolę w wyświetlaczach nowej generacji i technologiach oświetlenia półprzewodnikowego. Jasność i wydajność niebieskich diod elektroluminescencyjnych (LED) opartych na QD pozostaje gorsza od ich czerwonych i zielonych odpowiedników, ze względu na z natury niekorzystne poziomy energii różnych kolorów światła. Aby rozwiązać te problemy, należy zaprojektować konstrukcję urządzenia, która zrównoważy otwory iniekcyjne i elektrony w emisyjnej warstwie QD. Tutaj, dzięki prostej strategii autooksydacji, demonstrowane są czyste niebieskie diody LED QD, które są bardzo jasne i wydajne, ze strukturą ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/QDs/Al:Al2O3. Autoksydowana katoda Al:Al2O3 może skutecznie zrównoważyć wstrzykiwane ładunki i wzmocnić rekombinację radiacyjną bez wprowadzania dodatkowej warstwy transportu elektronów (ETL). W rezultacie, uzyskuje się wysokiej nasyconości kolorów niebieskich diod QD-LED z maksymalną luminancją ponad 13 000 cd m-2 i maksymalną wydajnością prądową 1,15 cd A-1. Łatwa do kontrolowania procedura autooksydacji toruje drogę do uzyskania wysokowydajnych niebieskich diod QD-LED.

Wprowadzenie

Diody elektroluminescencyjne (LED) oparte na koloidalnych półprzewodnikowych kropkach kwantowych cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich unikalne zalety, w tym przetwarzalność roztworu, przestrajalną długość fali emisji, doskonałą czystość kolorów, elastyczną produkcję i niskie koszty przetwarzania1,2,3,4. Od czasu pierwszych demonstracji diod LED opartych na QD w 1994 roku, ogromne wysiłki zostały włożone w inżynierię materiałów i konstrukcji urządzeń5,6,7. Typowe urządzenie QD-LED jest zaprojektowane tak, aby miało trójwarstwową architekturę warstwową, która składa się z warstwy transportu otworów (HTL), warstwy emisyjnej i warstwy transportu elektronów (ETL). Wybór odpowiedniej warstwy transportu ładunku ma kluczowe znaczenie dla zrównoważenia wstrzykiwanych i elektronów do warstwy emisyjnej w celu rekombinacji radiacyjnej. Obecnie małe cząsteczki osadzane próżniowo są szeroko stosowane jako ETL, na przykład batokuproina (BCP), tris(8-hydroksychinolinian) (Alq3) i 3-(bifenylo-4-ylo)-5-(4-tertbutylofenylo)-4-fenylo-4H-1,2,4-triazol (TAZ)8. Jednak niezrównoważona iniekcja nośnika często powoduje przesunięcie regionu rekombinacji do ETL, powodując niepożądaną pasożytniczą emisję elektroluminescencji (EL) i pogarszając wydajność urządzenia9.

Aby zwiększyć wydajność urządzenia i stabilność środowiska, nanocząstki ZnO przetworzone w roztworze zostały wprowadzone jako warstwa transportująca elektrony zamiast deponowanych próżniowo materiałów małocząsteczkowych. Bardzo jasne diody LED QD RGB zostały zademonstrowane dla konwencjonalnej architektury urządzenia, pokazując luminancję do 31 000, 68 000 i 4 200 cd m-2 dla emisji odpowiednio pomarańczowo-czerwonego, zielonego i niebieskiego10. W przypadku odwróconej architektury urządzenia, wysokowydajne diody LED RGB QD z niskim napięciem włączenia zostały z powodzeniem zademonstrowane z jasnością i zewnętrzną wydajnością kwantową (EQE) wynoszącą odpowiednio 23 040 cd m-2 i 7,3% dla czerwonego, 218 800 cd m-2 i 5,8% dla zielonego oraz 2 250 cd m-2 i 1,7% dla niebieskiego11. Aby zrównoważyć wstrzykiwane ładunki i zachować warstwę emisyjną QD, między QD a ZnO ETL umieszczono cienką warstwę izolacyjną z poli(metakrylanu metylu) (PMMA). Zoptymalizowane diody QD-LED o głębokiej czerwieni wykazywały wysoką zewnętrzną sprawność kwantową do 20,5% i niskie napięcie włączenia wynoszące zaledwie 1,7 V12.

Poza tym, optymalizacja właściwości optoelektronicznych i nanostruktur QD również odgrywa kluczową rolę w zwiększaniu wydajności urządzenia. Na przykład, wysoce fluorescencyjne niebieskie QD z fotoluminescencyjną wydajnością kwantową (PLQE) do 98% zostały zsyntetyzowane poprzez optymalizację czasu powłoki ZnS13. Podobnie, wysokiej jakości, fioletowo-niebieskie QD z prawie 100% PLQE zostały zsyntetyzowane poprzez precyzyjne kontrolowanie temperatury reakcji. Fioletowo-niebieskie urządzenia QDs-LED wykazały niezwykłą luminancję i EQE do 4,200 cd m-2 i 3,8%, odpowiednio14. Ta metoda syntezy ma również zastosowanie do fioletowych QD rdzenia/powłoki ZnSe/ZnS, diody QD-LED wykazywały wysoką luminancję (2,632 cd m-2) i wydajność (EQE=7,83%) dzięki zastosowaniu QDs bez Cd15. Ponieważ wykazano obecność niebieskich kropek kwantowych o wysokim PLQE, wysoka wydajność wstrzykiwania ładunku w warstwie QDs odgrywa kolejną kluczową rolę w wytwarzaniu wysokowydajnych diod QD-LED. Podstawiając długołańcuchowe ligandy kwasu oleinowego w celu skrócenia ligandów 1-oktanetiolowych, dwukrotnie zwiększono ruchliwość elektronową warstwy QD i uzyskano wysoką wartość EQE powyżej 10%16. Powierzchniowa wymiana ligandów może również poprawić morfologię filmu QD i zahamować wygaszanie fotoluminescencji wśród QD. Na przykład QDs-LED wykazał poprawę wydajności urządzenia dzięki zastosowaniu chemicznie szczepionych hybryd polimerowych półprzewodnikowych QDs17. Poza tym, wysokowydajne QD zostały przygotowane poprzez rozsądną optymalizację stopniowanego składu i grubości powłoki QD, ze względu na ulepszone wtryskiwanie, transport i rekombinację ładunku18.

W tej pracy wprowadziliśmy częściowo autoksydowaną katodę aluminiową (Al), aby poprawić wydajność niebieskich diod QD-LED opartych na rdzeniu/powłoce ZnCdS/ZnS19. Zmiana bariery energii potencjalnej katody Al została potwierdzona za pomocą ultrafioletowej spektroskopii fotoelektronów (UPS) i rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS). Ponadto dynamika nośnika szybkiego ładunku na granicy faz QDs/Al i QDs/Al:Al2O3 została przeanalizowana za pomocą pomiarów fotoluminescencji czasowo-rozdzielczej (TRPL). W celu dalszej walidacji wpływu częściowo utlenionego Al na działanie urządzenia, wyprodukowano diody LED QD z różnymi katodami (tylko Al, Al:Al2O3, Al2O 3/Al, Al2O3/Al, Al 2 O3 / Al: Al2O3 i Alq3/Al). W rezultacie, zademonstrowano wysoką wydajność, czysto niebieskie diody QD-LED dzięki zastosowaniu katod Al:Al2O3, o maksymalnej luminancji 13 002 cd m-2 i szczytowej wydajności prądowej 1,15 cd A-1. Co więcej, w architekturze urządzenia nie było żadnego dodatkowego organicznego ETL, co pozwala uniknąć niechcianego pasożytniczego EL, aby zagwarantować czystość koloru przy różnych napięciach roboczych.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Wytrawianie wzoru szkła z tlenku indu i cyny (ITO)

  1. Pokrój duże kawałki szkła ITO (12 cm × 12 cm) na paski o szerokości 15 mm. Wyczyść szklaną powierzchnię ITO za pomocą bezpyłowej szmatki z alkoholem.
  2. Sprawdź przewodzącą stronę szkła ITO za pomocą multimetru cyfrowego. Przykryj obszar aktywny szkła ITO taśmą klejącą, tak aby obszar aktywny miał 2 mm szerokości pośrodku.
  3. w proszku wylać na szkło ITO (do grubości około 0,5 mm).
  4. Wlać roztwór kwasu solnego (36 % wag.) na powierzchnię szkła ITO i pozostawić szkło ITO do całkowitego zanurzenia się w roztworze kwasu solnego, a następnie wytrawiać przez 15 s.
  5. Wylej roztwór kwasu solnego po korozji, a następnie natychmiast spłucz szklankę ITO wodą. Usuń taśmę samoprzylepną ze szkła ITO.

2. Czyszczenie szyby ITO

  1. Zanurz szklankę ITO na szalce Petriego zawierającej roztwór acetonu na 15 minut. Zetrzyj klej ze szkła ITO za pomocą wacika.
  2. Pokrój szkło ITO na kwadratowe kawałki (około 15 mm × 15 mm) za pomocą noża do szkła.
  3. Sonikuj szkło ITO sekwencyjnie w wodzie z detergentem, wodzie z kranu, wodzie dejonizowanej, acetonie i alkoholu izopropylowym przez 15 minut.
  4. Wysuszyć szkło ITO azotem, a następnie suszyć w piecu w temperaturze 150 °C przez 5 minut w atmosferze powietrza.
  5. Umieść oczyszczone szkło ITO w komorze ultrafioletowo-ozonowej i pielęgnuj przez 15 minut.

3. Wykonanie warstwy iniekcyjnej otworu

  1. Wyjmij z lodówki roztwór poli(3,4-etylenodioksytiofen):p oly(sulfonian styrenu) (PEDOT:PSS). Mieszać roztwór PEDOT:PSS w temperaturze pokojowej przez 20 minut, aby uzyskać równomiernie zdyspergowany roztwór.
    UWAGA: Obróbka UV-Ozone (sekcja 2.5) i mieszanie roztworu PEDOT:PSS powinny być przeprowadzane jednocześnie, aby uniknąć niepowodzenia leczenia UV-Ozone. Temperatura w pomieszczeniu jest utrzymywana na poziomie 25 °C.
  2. Weź około 2 ml roztworu PEDOT:PSS za pomocą strzykawki o pojemności 10 ml i zainstaluj filtr polieterosulfonowy (PES) 0,45 μm na strzykawce.
  3. Umieść szkło ITO na środku wirówki. Wlej dwie krople roztworu PEDOT:PSS na szklankę ITO.
  4. Przefiltrowany roztwór PEDOT:PSS należy obtoczyć wirowo na podłożu ITO przy 3 000 obr./min przez 30 s, a następnie wyżarzać ITO pokryty PEDOT:PSS w temperaturze 150 °C przez 15 minut, aby uzyskać folię PEDOT:PSS o długości 30 nm.

4. Wykonanie warstwy transportowej otworu

UWAGA: Warstwa transportowa otworu i warstwa emisyjna są wytwarzane w komorze rękawicowej wypełnionej azotem o kontrolowanym stężeniu tlenu i wody poniżej 50 ppm.

  1. Rozpuścić poli(N,N′-bis(4-butylofenylo)-N,N′-bis(fenylo)-benzydynę) (Poli-TPD) w o-dichlorobenzenie (1 ml) o stężeniu 25 mg mL-1. Mieszać w temperaturze pokojowej przez noc w wypełnionym azotem schowku rękawicowym.
  2. Wlać 35 μl roztworu Poly-TPD na ITO pokryty PEDOT:PSS. Wirować roztwór Poly-TPD z prędkością 3 000 obr./min przez 30 s, aby uzyskać folię Poly-TPD o długości 40 nm, a następnie wyżarzać w temperaturze 150 °C przez 30 min.

5. Wytwarzanie warstwy emisyjnej

  1. Kropki kwantowe ZnCdS/ZnS rozpuścić w roztworze toluenu (300 μL) o stężeniu 14,3 mg mL-1.
  2. Wlać 35 μl roztworu ZnCdS/ZnS na wierzch Poly-TPD. Wirować roztwór ZnCdS/ZnS przy 3 000 obr./min przez 30 s, aby uzyskać film o długości fali 40 nm.
    UWAGA: Pieczenie nie jest konieczne.

6. Osadzanie próżniowe

  1. Po osiągnięciu ciśnienia 10-4 Pa należy osadzić tris(8-hydroksychinolinian) glinu (Alq3) na podłożach z szybkością 0,3 A s-1 w komorze termicznego odparowywania, aby uzyskać film Alq3 o długości 15 nm.
    UWAGA: Alq3 jest zdeponowany tylko dla struktury urządzenia ITO/PEDOT:PSS/Poly-TPD/QDs/Alq3/Al.
  2. Zeskrob warstwę aktywną o szerokości 2 mm za pomocą skrobaka, aby odsłonić szklane podłoże ITO.
  3. Umieść podłoża w metalowej masce i przenieś je do komory termicznego odparowywania. Umieść elektrodę aluminiową z szybkością 1 A s-1, aby uzyskać film Al o długości 100 nm.

7. Procedura autooksydacji

  1. Przenieś tak przygotowaną katodę Al do pieca próżniowego, a następnie wypompuj powietrze z piekarnika, aż stanie się prawie próżnią.
  2. Otworzyć zawór deflacyjny i wstrzyknąć bezwodne powietrze złożone (O2 = 20%, N2 = 80%) do pieca próżniowego o ciśnieniu 3 ×10 4 Pa. Utleniać przez 0, 4,5, 12 i 17 godzin w temperaturze pokojowej (w piecu).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Do zarejestrowania właściwości optycznych niebieskich kropek kwantowych (QD) o stopniowanym rdzeniu i powłoce ZnCdS/ZnS wykorzystano widma absorpcyjne UV-Vis oraz widma fotoluminescencyjne (PL). W celu analizy morfologii kropek kwantowych wykonano obrazowanie za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) (Rysunek 1). Do badania właściwości strukturalnych oraz poziomów energetycznych kropek kwantowych (Q...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Architektura niebieskiej diody QD-LED składa się z przezroczystej anody ITO, PEDOT:PSS HIL (30 nm), Poly-TPD HTL (40 nm), ZnCdS/ZnS QDs EML (40 nm) oraz katody Al:Al2O3 (100 nm). Ze względu na porowaty charakter katody Al uzyskaliśmy utlenioną katodę Al poprzez wystawienie jej na działanie tlenu. Rysunek 2e i rysunek 2f przedstawiają wykresy wyrównania poziomu energii warstwy QDs z Al i Al:Al2O3. Gdy QD stykają się z k...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie mamy nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez NSFC (51573042), The National Key Basic Research Program of China (projekt 973, 2015CB932201), Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (JB2015RCJ02, 2016YQ06, 2016MS50, 2016XS47).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Podłoże szklane pokryte tlenkiem indu i cyny (ITO)
CSG Holding Co., Ltd.Rezystywność i asymp; 10 Ω/sq
w proszkuSigma-Aldrich96454Masa cząsteczkowa 65,38
Alkohol izopropylowyBeijing Odczynnik chemiczny67-63-0Analitycznie czysty
toluenInnochemI01367Analitycznie czysty
acetonInnochemI01366Analitycznie czysty
kwas solnyacros 124210025Roztwór wzorcowy 1 N
AcrosO-dichlorobenzenu39696100098+%, Extra Dry
Poli(3,4-etylenodioksytiofen) sulfonian polistyrenu domieszkowany (PEDOT: PSS). C.StarkClevious P VP Al 4083
Poli(N,N′-bis(4-butylofenylo)-N,N′-bis(fenylo)-benzydyna) (Poly-TPD)Technologia luminescencjiLT-N149
Tris(8-hydroksychinolinian) glinu (Alq3)Technologia luminescencjiLT-E401
Środek czyszczący UV-OJelight Company92618
FiltrJintengJTSF0303/0304Polieterosulfon (0,45 μ m)
Myjka ultradźwiękowaHECHUANG ULTRASONICKH-500DE
Multimetr cyfrowyUNI-TUT39A Powlekarka
wirowaIMECASKW-4A
Cyfrowa płyta grzejnaStuartSD160
H

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Niebieskie diody LED z kropkami kwantowymizwi kszenie wstrzykiwania elektron wprocedura autooksydacjipoprawa r wnowagi adunk wczysta emisja niebieskaurz dzenia o wysokiej luminancjipoprawa wydajno ci pr dowej

Powiązane artykuły