高稳定性、高荧光效率核壳结构钙钛矿量子点材料的制备及其发光二极管器件研究

Quantum dots (QDs) are the key optoelectronic materials to realize the next generation of high-quanlity and low power lighting and display. Compared to traditional cadmium-based quantum dots, peroskite quantum dot with a wide range of wavelengths, low cost, friendly environmentally and other unique advantages, has become a new type of most potential material. However, perovskite quantum dots used in electroluminescent devices are remaining in low phosphor conversion efficiency, insufficient stability and other issues. This project aims to develop a new core-shell structure of perovskite quantum dot material, using the designed shell structure to improve the stability of perovskite quantum dot material. Quantum dot light emitting film is preparing with spin-coating process, optimizing of process parameters to obtain high fluorescence conversion efficiency. Using core-shell peroskite quantum dot as emitting layer, prepare light emitting devices, study the impact on different electron and hole injection layer with the bandgap of quantum dots, optimal device structure to get high electroluminescence efficiency of perovskite QLED. Meanwhile, based on the finite difference time domain numerical simulation method, build the model of photon transporting in QLED device to clarify the mechanism of perovskite QLED.

量子点是实现下一代高光色品质与低功耗照明及显示技术的核心关键光电材料。钙钛矿量子点材料与传统镉基量子点相比具备波长范围广、成本低廉、环境友好等独特优势，已成为最具成长潜力的新型量子点材料。然而，目前钙钛矿量子点应用于电致发光器件尚存在荧光转换效率低、材料稳定性不足等关键问题。本项目旨在开发新型核壳结构钙钛矿量子点材料，通过优化设计壳层结构材料，有效提高钙钛矿量子点材料的稳定性。采用旋涂工艺制备量子点发光薄膜，优化工艺参数获得高荧光转换效率。在此基础上，以核壳结构钙钛矿量子点为发光层，制备发光二极管（QLED）器件，研究不同电子空穴注入层与量子点之间的能带匹配及其对发光性能的影响，优化设计器件结构，获得高电致发光效率的钙钛矿量子点发光器件。同时，基于时域有限差分数值模拟方法，建立光子在QLED器件中传输的物理模型，阐明钙钛矿量子点器件的发光机理。

与传统量子点材料相比，钙钛矿量子点具有光致发光量子效率高、带隙可调、单色性好以及色域广等优点。然而不论是全无机（CsPbBr3）还是有机无机杂化（MAPbBr3）材料都很难制备出高稳定性的量子点。因为随着尺寸的变小，材料的比表面积迅速增大，使得量子点的表面存在许多缺陷态、表面悬挂键，使得量子点很容易与环境中的水氧分子发生反应产生结构上的变化。本项目针对全无机钙钛矿量子点和有机无机杂化的钙钛矿量子点的合成进行了改进，发明了极性溶剂诱导合成等一系列新的钙钛矿量子点合成方法。这种方法还可以对已经合成的钙钛矿量子点进行维度的调控，低维度的钙钛矿具有超窄的半峰宽，为宽色域显示提供了良好的可行性。本项目中首次报道简单的合成Cs4PbBr6的深蓝光钙钛矿量子点的方法，还对这种钙钛矿量子点之间的能量传递现象进行了研究，发现正是较大的能量传递导致这种量子点具有很大的反斯托克斯位移，其在紫外灯下能看到深蓝光，其荧光量子产率高达25%，发光峰在405nm，半峰宽66nm，吸收峰在313nm。发明了一种基于喷墨打印技术原位制备钙钛矿聚合物发光薄膜，这种薄膜的荧光量子产率非常高，而且耐水耐酸耐碱。这种喷墨打印方法还可以实现高分辨率，柔性的钙钛矿发光薄膜。本项目首次发现在全无机钙钛矿量子点CsPbBr3中经常存在CsPb2Br5相，这种CsPb2Br5相可以与CsPbBr3量子点形成很好的核壳结构，这种核壳结构不仅能够显著提高无机钙钛矿量子点的相稳定性，还能够提高无机钙钛矿量子点的光致发光和电致发光的稳定性。也针对钙钛矿量子点的电致发光器件的失效机制进行了研究。还发明了一种层层包覆策略，即在CsPbBr3量子点上包覆一层Cs4PbBr6量子点，然后再在表面包覆一层PMMA。PMMA的作用是起到良好的阻水阻氧的能力，防止无机钙钛矿量子点直接与空气中的水氧发生接触，同时Cs4PbBr6量子点和CsPbBr3量子点的良好晶格匹配可以避免使其发生相变。通过这种层层包覆策略使得无机钙钛矿量子点的光致发光的稳定性得到了大幅的提升，使其在光致发光领域的应用成为了可能。