发光学报 | 基于无机电荷产生层的量子点电致发光器件

无机半导体量子点材料具有宽吸收、窄发射、高色域、高亮度、光稳定性好、可低成本溶液加工等优良性质。基于量子点的电致发光二极管（QLED）在下一代平板显示及照明技术中具有很强的竞争力。目前，高效的QLED结构为杂化结构，即以ZnO纳米粒子作为电子传输层（ETL）、有机小分子或聚合物作为空穴传输层。QLED的外量子效率已达到20% 的理论值。尽管如此，器件中仍然有诸多问题需要进一步攻克。

在常规的QLED器件中，载流子通常由电极注入到电荷注入层，进而注入到量子点发光层，最后形成激子。这就对电极与电荷注入层之间的电学匹配提出很高的要求。通常需要欧姆接触才能使得器件具有最优的性能。此外，该界面对器件的稳定性也起着至关重要的作用，尤其是在柔性器件中，电极和功能层之间很容易剥离从而导致器件失效。

电荷产生层（charge-generation layer，CGL）为我们带来了一个解决方案。电荷产生层通常由P型和N型半导体组成，当器件工作时，在电场的作用下CGL可以产生空穴-电子对，这使得载流子可以无需跨越电极到电荷注入层的能级势垒，从而使得电荷注入不依赖电极材料。

2022年，吉林大学纪文宇团队在柔性QLED器件中引入了3，4-乙烯二氧噻吩与聚苯乙烯磺酸盐的混合物（PEDOT∶PSS）和ZnO构成的CGL，器件的弯曲稳定性得到极大的改善，在弯折200次以上时柔性器件仍表现出完好的电致发光特性。但是，在这一工作中所用的PEDOT∶PSS具有较强的酸性，会对电极及ZnO膜层造成损坏，这反而对器件的稳定性尤其是存储稳定性造成了影响。鉴于此，该团队利用氧化钨和氧化锌双无机层构筑电荷产生层并应用于具有倒置结构的QLED器件，获得了良好的光电性能，为电荷产生层的应用提供了新的选择。

该文章以“基于无机电荷产生层的量子点电致发光器件”为题发表于《发光学报》（EI、Scopus收录，中文核心期刊），并被选为当期封面文章。

图1：（a）常规QLED结构示意图；（b）基于CGL的QLED结构示意图；（c）ITO/WO₃（x nm）/ZnO（30 nm）/Al器件电流密度‐电压特性曲线；（d）CGL的电荷产生效率随电压变化特性。

通过CGL的电流测试表明CGL与各电极界面为欧姆接触，且具有优秀的电荷产生能力，电荷产生效率接近100%（图1）。

图2：（a）基于ZnO及CGL的QLED的电流密度-电压-亮度特性；（b）QLED的电流效率随驱动电压变化曲线；（c）QLED的电容随驱动电压变化；（d）QLED在驱动电压为4 V时的电致发光光谱。

QLED器件的电学测试表明，基于电荷产生层的QLED器件具有优异的电学性能，氧化钨的引入对器件的工作电流几乎没有影响，且器件的电流效率都有所提高。器件的电致发光光谱与量子点的光致发光光谱一致，说明激子的生成区域也没有受到影响。而基于CGL的器件具有更大电容，这是由于CGL具有电荷存储效应（图2）。

图3：（a）瞬态电致发光测试中脉冲电压示意图；在驱动脉冲电压为4 V时，不同器件的瞬态电致发光响应：（b）全谱，（c）上升沿，（d）下降沿特性。

图4：在驱动脉冲电压为4 V时，器件在不同偏置电压下的瞬态电致发光响应。器件的电子注入部分的结构分别为：（a）WO₃（5nm）/ZnO（30nm），（b）WO₃（10nm）/ZnO（30nm），（c）WO₃（20 nm）/ZnO（30 nm），（d）ZnO。

通过电容测试和瞬态电致发光光谱测试（图3），揭示了电荷产生层的工作机制：由于CGL具有大的电荷存储效应，在器件的工作过程中，CGL中存储的电荷可以实现到器件的快速注入，从而导致器件电致发光的过冲现象。通过控制瞬态测试中的偏置电压（图4），器件的过冲现象受到显著的影响，这进一步验证了这一理论。

在这一工作中，利用氧化钨/氧化锌电荷产生层结构制备了高效QLED器件，通过优化氧化钨厚度，器件效率得到显著提升。同时揭示了电荷产生层的电荷存储效应。这一现象所导致的过冲过程使QLED器件在快速响应器件中具有很大的应用潜力。

| 论文信息 |

战胜，刘佳田，张汉壮，纪文宇. 基于无机电荷产生层的量子点电致发光器件[J]. 发光学报, 2022, 43(10):1469-1477.

https://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20220240

| 通讯作者 |

纪文宇，博士，教授，博士生导师，2010年于吉林大学获得博士学位，主要从事半导体纳米材料（量子点）薄膜物理、发光器件的研究。
E⁃mail：jiwy@jlu.edu.cn

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