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福州大学李福山教授/宁波材料所钱磊研究员合作最新《Nature Photonics》
今日新材料
2023-01-06
The following article is from 高分子科学前沿
Author 高分子科学前沿
超高分辨率量子点发光二极管
显示器件在日常生活中几乎无处不在
,近几年,单单手机显示屏就经历了迅猛的发展:从LCD显示到OLED再到柔性显示屏。随着对更多像素的需求不断增长,下一代显示器对分辨率和色域的更具有挑战性。
胶体量子点(QDs)由于其优异的光电特性,如窄发射光谱、可调谐发射波长、高发光效率和优异的稳定性而被广泛研究。
过去十年,量子点发光二极管(QLED)的性能取得突破,在显示应用领域展现出广阔的前景。面对大量信息或近眼显示要求,下一代显示器为像素分辨率设定了更高的标准。
然而,QLED发光层的高分辨率图案化仍然是一个关键瓶颈。
目前,QLED像素图案的实现主要通过喷墨印刷、光刻和转移印刷(TP)来实现
。喷墨打印在生成几微米以下的QD像素方面面临着巨大的困难。光刻法生产的量子点像素不可避免地含有光刻胶残留物,这会阻碍电荷传输并导致器件性能下降。相比之下,TP可用于构建无有机残留物的超小像素。全彩QLED已由TP制备。通过凹版TP技术构建了每英寸2460像素(PPI)的QLED阵列。
超高分辨率QLED已通过浸入式TP技术制造
。
但是,以前的高分辨率QLED表现出低性能,其外部量子效率(EQE)和亮度明显低于比旋涂制备的那些(大约低一个数量级)。这可以归因于转移的量子点薄膜质量较差,以及由于空穴传输层(HTL)和电子传输层(ETL)之间的直接接触导致像素之间的非发光区域出现较大的漏电流。
鉴于此,
福州大学
李福山教授
与
中国科学院宁波材料所
钱磊研究员
合作
采用
转移印刷技术和Langmuir-Blodgett薄膜技术相结合的方法
,
实现了每英寸9072-25400像素的量子点发光二极管(QLED)
。
为了降低器件的泄漏电流,在发光量子点像素之间嵌入了蜂窝图案化的宽带隙量子点层,作为非发光电荷屏障层。红色和绿色量子发光二极管证明被得到。值得注意的是,
在外加电压为8v的情况下,红色器件的亮度可达262400 cd m
-2
,外部量子效率峰值为14.72%。这一工作为实现高性能的超高分辨率QLED器件提供了一条有希望的途径。
相关研究成果以题为“Ultrahigh-resolution quantum-dot light-emitting diodes”发表在最新一期《Nature Photonics》上。
【量子点发光层制备与表征】
图1a展示了生成图案化QD薄膜的方法示意图
。首先,
量子点的自组装是通过LB方法实现的
,将有机溶液中的量子点滴加到Langmuir槽中,在油性溶剂蒸发后分散在空气-水界面。当适度压缩分散区域时,疏水性量子点通过表面烷基链配体的空间排斥均匀地组装成单层。微结构的PDMS印章与QD Langmuir薄膜接触并轻轻地从水中拉出。与之前报道的TP工艺相比,
LB-TP工艺表现出其优势
:
无需对PDMS印章表面进行润饰,上墨过程避免了有机溶剂对PDMS印章的溶解
;发现量子点被拾取并均匀释放,
避免了传统工艺中纳米颗粒薄膜的不完全转移
;
可以简单地重复浸没过程以改变转移的量子点层的厚度
。
图1b显示了用光学显微镜观察到的微结构化印章的表面形貌。印章的扫描电子显微镜(SEM)图像如图1c、d所示。打印后,亚微米大小的红色和绿色量子点阵列的荧光显微镜图像如图1e,h所示。
红色和绿色器件,它们由氧化铟锡(ITO)/聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)/聚(9,9-二辛基芴-共-N-(4-丁基苯基)二苯胺)(TFB)/QDs/ZnMgO/Ag构成
。
红色QLED
的电流密度-电压-亮度(
J-V-L
)和电流效率-亮度-外量子效率(CE-L-EQE)特性如图1f,g所示,
该器件具有0.71%的峰值EQE和10210 cd m
-2
的最大亮度
。此外,
绿色器件显示出0.43%的最大EQE和38108 cd m
-2
的最大亮度
(图1i,j)。
图 1. LB-TP 法制备亚微米量子点发光层
【解决发光层漏电流问题】
对于超小像素来说,抑制非发光区域的漏电流是一大挑战,因为如此小规模的像素之间难以准确嵌入电荷阻挡材料。
为了解决高分辨率QLED的低性能问题,作者设计了一个倒置印模来转移蜂窝状的电荷阻挡层,然后将发光的量子点嵌入微孔中
。微孔PDMS印章的具体细节如图2a所示。两次上墨后转移的蓝色-QD薄膜的SEM和原子力显微镜图像如图2b,c所示。
薄膜的厚度约为25 nm。由于蓝色量子点具有较宽的带隙,蜂窝膜在将红色或绿色量子点填充到微孔中时用作电荷阻挡层。
如图2d-h所示,
465nm蓝光激发的荧光显微镜图像显示,旋涂后发光量子点完全嵌入蜂窝孔中,而在阻挡层顶部几乎没有观察到残留物。蜂窝屏障的厚度对填充效果有重要影响。
图 2. 蜂窝状电荷势垒层的研究
【QLED器件的制备与表征】
RB图案薄膜用作EML以制造具有ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ZnMgO/Ag器件结构的高分辨率QLED
(图3a)。该器件的能带图如图3b所示。值得注意的是,
蓝色量子点(用作阻挡层)几乎不影响器件的红色发射
(图3c)。
当驱动电压从3 V增加到6 V时,EL的峰值位置为625 nm
。EL峰的位置相对于PL有轻微的红移(2 nm),这归因于在紧密堆积的QD固体中观察到的点间相互作用和电场诱导的斯塔克效应的组合(图3d)。当以不同电压驱动时,
RB图案QLED的CIE坐标均位于标准红色发射点
。如图3e,f所示,
在8V的施加电压下,器件的亮度为262400 cd m
-2
。
该器件表现出14.72%的峰值EQE和20.21 cd A
–1
的电流效率,比没有电荷阻挡层的器件高约20倍
(图1e-g)。需要说明的是,
器件的高效率在较宽的亮度范围内保持不变,即使在高达200000 cd m
-2
的亮度下也不会出现效率滚降
。
图 3. R-B 图案的 QLED 器件的结构和表征
在没有阻挡层的情况下(图
4a
),器件产生非辐射泄漏电流。此外,由蓝色量子点组成的电荷势垒层将HTL和ETL隔开(图
4b
),由于红色量子点的注入势垒相对较小,电荷更优选注入红色量子点而不是蓝色量子点。
图4c中表明
具有蓝色-QD阻挡层的器件表现出明显较低的电流密度
。图4d显示了通过LB-TP和常规接触印刷制备的蓝色-QD阻挡层薄膜的SEM图像。这证明了与传统接触印刷相比,
LB-TP工艺在形成致密且均匀的薄膜方面具有卓越的能力
。因此,如图4e所示,
由LB-TP制备的蓝量子点势垒层可以显着降低器件的漏电流。
图 4. 带阻挡层和不带阻挡层的比较
【总结】
作者
提出了一种制作具有优良性能的超高分辨率 QLED 器件的简便策略
。
结合 LB 膜技术和 TP 工艺,可以很容易地制备像素密度高达25400 PPI 的高分辨率QLED。
为了抑制非发射区的漏电流,
采用 LB-TP 工艺制备了宽带隙蓝色量子点蜂窝膜作为电荷屏障层,获得了高度均匀的密堆积膜,有效地将 ETL 和 HTL 从直接接触区分开,抑制了非辐射复合
。采用
蜂窝阻挡层结构的器件具有9072 PPI 的分辨率,最大 EQE 为14.72% (约增加20倍) ,8v 时的亮度为262400 cd m
-2
。
来源:高分子科学前沿
声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!
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