摘要：新型氧化鋅顆粒，助力高效能QLED
通訊單位：蘇州大學，南京大學，華東師範大學
【研究背景】
近年來QLEDs在效率與工作壽命上都取得了很大的進展，而器件結構中的介面損耗問題卻依舊未得以很好解決。對於傳統的氧化鋅電子傳輸層，常常會引發缺陷誘導激子猝滅與多載流子俄歇複合的過程，極大地影響QLEDs器件效能表現。透過引入超薄的電子阻擋層（<10nm）可以較好地緩解這些現象，不過因器件效能對阻擋層厚度高度敏感，不利於商業及大面積生產製備。針對於此，可利用鎂離子摻雜調控氧化鋅的能級、遷移率與缺陷密度，以抑制器件介面處的激子淬滅。不過因QDs與ZMO之間的載流子與能量傳遞過程尚未得以很好地闡釋，同時以多種方式合成的ZMO物理與化學性質也不盡相同，為進一步提升QLED的效能，我們函待遴選出一款可與QDs完美匹配的ZMO傳輸層材料。
【擬解決的關鍵問題】
依靠常規SOL-GEL沉澱法合成ZMO奈米顆粒時，水解反應過程中複雜的化學配位與緩慢的成核，將導致難以精確控制結晶過程與產物的缺陷密度。在此，本文創新性地採用LSS（liquid-solid-solution）策略，精細地調控了ZMO的結晶與缺陷態特徵，報道了一類高效的ZMO傳輸材料（ZMO-LSS）。當以ZMO-LSS為電子傳輸層時QLEDs的EQE可高大22.3%，並可在200,000 cd m-2的亮度下依舊保持大於20%的效率。基於此可說明在器件內的電子與空穴注入相對平衡，同時高載流子密度下的俄歇過程也得以完全地抑制。另外，本文更進一步分析了QLEDs工作中傳輸層與QDs介面的載流子動力學過程，驗證說明了ZMO-LSS中豐富的淺缺陷態可與QDs的梯度能級結構形成明顯的載流子弛豫現象。
【研究思路剖析】
本文透過最佳化ZMO-LSS中鎂離子的摻雜比例，以此為傳輸層製備的紅光QLEDs器件EQE（22.3%）遠優於常規SOL-GEL沉澱法合成的ZMO（17.6%），同時工作壽命也得以明顯延長。為驗證效率提升的原因，本文結合瞬態吸收譜學（TAS）、變溫PL壽命、以及器件EL壽命，對兩類ZMO/QDs介面載流子動力學過程進行了細緻的研究。此外，得益於ZMO-LSS優良的傳輸特性，本文結合奈米銀線（AgNWs）電極構建出高效率的柔性QLEDs，柔性器件最大EQE可達24.0%，同時展示了大面積柔性QLEDs（~900 mm2）的製備。
【圖文簡介】
圖1.
要點1. 在ZMO-LSS合成過程中，顆粒的成核與結晶被限制於奈米尺度的氣泡中，因而此反應過程中會伴隨著極端的高壓環境，而ZMO-SOL的合成相對溫和。ZMO-LSS缺陷誘導的可見光峰值較ZMO-SOL有著37nm紅移，強度也相對較高，這些表明ZMO-LSS有著更為豐富的淺缺陷態能級結構。此外，TRPL表明ZMO-LSS缺陷態的激子壽命也相對較長。
圖2.
要點2. 比對以最最佳化摻雜的ZMO-LSS與ZMO-SOL（Mg2+ molar ratio：7.5%）為傳輸層的QLEDs器件可得，應用ZMO-LSS時器件將有著更高的EQE與亮度。與此同時，QLED器件在10,000-200,000 cd m-2的亮度範圍內均未見明顯的Roll-off現象，且高亮度下的工作壽命也得以明顯地延長，說明ZMO-LSS非常適用於高亮度顯示與照明的QLEDs。
圖3.
要點3. QDs在石英、ZMO-SOL與ZMO-LSS上的PLQY分別為85%、70%與84%，可見ZMO-LSS不會引起QDs的熒光淬滅。同時從TRPL與TAS基態漂白壽命（GSB）可見，QDs/ZMO-LSS介面處的非輻射覆合過程得以很好地抑制。圖中TAS中的多個漂白峰對應QDs核殼結構中的不同組分，透過比對QDs在石英與ZMO-SOL上的GSB分佈發現，相同衰減時間下QDs在ZMO-LSS上時585-620nm處的GSB譜峰（指代ZnCdSe核）更為平坦，同時558nm處（指代ZnCdSe/ZnSe核殼介面）GSB譜峰得以增強，表明QDs核與內殼層中的激子態與ZMO-LSS之間存在著強耦合作用。考慮ZMO-LSS獨特的淺缺陷態能級結構，可認定QDs/ZMO-LSS介面存在極長壽命的載流子弛豫，並延緩激子的損耗。
圖4
要點4. 本文也同時展示了基於ZMO-LSS傳輸層的柔性QLED器件，其有著24.0%的EQE與超過100,000 cd m-2的亮度。得益於AgNWs電極良好的光散射特徵，柔性器件的EQE效率甚至會優於以剛性ITO為電極的QLED，同時本文也展示了大面積柔性QLED的製備。
【意義分析】
本文巧妙地設計了一類缺陷態可調的摻鎂氧化鋅顆粒（ZMO-LSS），當應用其為電子傳輸層時QLEDs在200,000 cd m-2的亮度下依舊可保持20%的EQE，並且適用於柔性與大面積QLEDs的製備。更為重要的是，本文進一步地透過TAS、低溫熒光與瞬態EL在QDs/ZMO-LSS介面觀測到長時間的載流子弛豫現象，將為後續的相關研究提供啟發意義。
【通訊作者簡介】
唐建新教授：蘇州大學功能奈米與軟物質研究院，教授、博士生導師。發表SCI論文200餘篇，論文引用6000餘次，申請發明專利20餘項(授權11項)，撰寫英文專著2部(章)。主持和參與973計劃、國家科技重大專項、國家自然科學基金、江蘇省自然基金重點專案等國家級/省部級專案多項。研究領域主要包括：(1) 有機和鈣鈦礦發光顯示器件（OLED，PeLED）：主要開展發光器件在平板顯示及固體照明領域的應用開發；(2) 有機和鈣鈦礦光伏電池器件（OSC, PeSC）：主要從事新型器件結構、光電轉換過程以及結構調控的研究；(3) 半導體介面物理：研究有機異質結介面的電子態結構、載流子輸運過程、以及瞬態電致發光和載流子複合過程動力學的研究。
期刊介紹：