基于石墨烯的双面发射倒置式量子点发光二极管器件的研究

Quantum dot light-emitting diode (QLED) inherits the advantages of light-emitting diode (LED) and organic light-emitting diode (OLED). Meanwhile, it can provide easy processable way to achieve lighting and display devices with high-energy efficiency, high color rendering index, high color saturation and broadening working temperature range..In QLEDs, energy barriers imbalance is one of the main issues for QDs emissive quenching which then causes these devices to low electrical and optical efficiencies. Previously it was explored that in conventional QLED structure, electronic current was causing these devices in a category of electron-only devices and more electrons were accumulated at the HTL/QDs interface led to Auger Assisted up conversion preferably, than the direct recombination at QDs layer. While in the inverted QLEDs structure with two faced emission, energy barrier is introduced for electron migration between ITO cathode and ZnO nanoparticles ETL and hence better electron-hole balance is expected. These barriers at both sides of the QDs layer play vital role in the overall device performance such as low operating voltages and high external quantum efficiencies. In these inverted QLED devices, there is a possibility of direct photonic recombination in QDs layer more preferably than the energy assisted recombination, which helps these devices to be more efficient. Moreover, as the high transmission up to 85% of graphene used as anode, it is realized the QLED with two faces light emission.

量子点发光二极管继承了半导体发光二极管和有机发光二极管的性能优势，对进一步实现高能效、高显色指数、高色饱和度和宽工作温度的照明和显示器件提供了重要的发展方向。在传统的QLED器件中，电流的形成主要依靠于电子聚集在空穴传输层/量子点层的界面上导致的俄歇辅助的能量上轮换过程，而不是直接在量子点层内的复合。我们提出的双面发射倒置式QLED器件，能垒由于电子从ITO向ZnO电子传输层的跃迁而产生，空穴从石墨烯到量子点层，由于能带间距的降低，因而可以预期电子与空穴可以平衡注入。量子点层两边的能垒在提高整个器件效率，如降低开启电压，提高量子效率上起到关键性的作用。在倒置式QLED器件中，电子空穴在量子点层的直接复合发光的可能性较大，而不是采用俄歇辅助的能量上轮换过程，这会带来更高的器件效率。同时，由于石墨烯具有85%以上的透光性，因而实现了双面发射量子点显示。

本项目针对量子点发光二极管的两个关键问题：发光活性层中电子和空穴非平衡注入问题，以及电子和空穴传输层引起的载流子损耗开展深入研究。本项目完成的主要研究工作概括如下：1). 研究了不同发光基团对量子点发光二极管性能的影响。2). 研究了不同材料制备的电子和空穴传输层对量子点发光二极管性能的影响。. 本项目获得的主要成果为：.1..我们采用Ca掺杂ZnO纳米颗粒设计新的n型半导体材料，并将其应用于电子传输层，用全溶液法制备了高性能多色钙钛矿发光二极管。我们用Ca掺杂裁剪ZnO能带结构，从而可以调控从阴极到钙钛矿的能带分布。为了获得电子传输的级联能级分布，ZnO的带隙可以通过改变Ca的掺杂量进行调控。最后我们制备得到的钙钛矿发光器件的能量效率达到30 lm W-1（绿光）、28 lm W-1（黄光）和36 lm W-1（红光），这是当时报道的最高结果。.2..通过Li掺杂TiO2电子传输层调控其电学和光学特性，调节绿光量子点发光二极管的界面能带分布。和未掺杂ETL器件相比较，我们研制的器件效率提高了7倍。.3..我们将可调控电子传输层和溶液法制备相结合，使得多色量子点发光器件接近实际应用。.4..量子点发光器件的界面能带分布优化不仅提高发光性能，还可以应用于其它光电子器件，如太阳能电池、光电探测器和场效应晶体管。.5..采用降解氧化石墨烯和聚合物调控空穴传输层，可以优化量子点发光二极管的空穴注入能量势垒，其功函数从5.2eV上升到5,95 eV，并且提高了导电特性。石墨烯和其它二维材料混合溶液形成的载流子传输材料为光电子器件的发展提供了新的道路。.6..我们用全溶液法制备了最简单的三层（p-i-n）量子点发光二极管。采用特殊设计的p型聚合物空穴传输层形成梯度功函数分布。梯度功函数分布形成从阳极Fermi能级到量子点价带能级的级联能带分布。在该器件中，载流子向量子点的直接注入成为占主导地位的物理过程，其器件效率和稳定性都有很大的提高。我们研制的器件外量子效率为ɳEQE=12.8%（蓝光） 17.4%（绿光）, 和 15.9%（红光）。发光效率为ɳA=14.4 cd A-1（蓝光）59.3 cd A-1（绿光） 和 31.8 cd A-1（红光）。和已经报道的多色量子点发光器件相比较，我们研制的器件外量子效率非常高。