苏大唐建新教授MTE：高性能QLEDs中的界面载流子弛豫

第一作者：田宇

通讯作者：唐建新，张春峰，李艳青

通讯单位：苏州大学，南京大学，华东师范大学

近年来QLEDs在效率与工作寿命上都取得了很大的进展，而器件结构中的界面损耗问题却依旧未得以很好解决。对于传统的氧化锌电子传输层，常常会引发缺陷诱导激子猝灭与多载流子俄歇复合的过程，极大地影响QLEDs器件性能表现。通过引入超薄的电子阻挡层（<10nm）可以较好地缓解这些现象，不过因器件性能对阻挡层厚度高度敏感，不利于商业及大面积生产制备。针对于此，可利用镁离子掺杂调控氧化锌的能级、迁移率与缺陷密度，以抑制器件界面处的激子淬灭。不过因qds与zmo之间的载流子与能量传递过程尚未得以很好地阐释，同时以多种方式合成的zmo物理与化学性质也不尽相同，为进一步提升qled的性能，我们函待遴选出一款可与qds完美匹配的zmo传输层材料。

【拟解决的关键问题】

依靠常规SOL-GEL沉淀法合成ZMO纳米颗粒时，水解反应过程中复杂的化学配位与缓慢的成核，将导致难以精确控制结晶过程与产物的缺陷密度。在此，本文创新性地采用LSS（liquid-solid-solution）策略，精细地调控了ZMO的结晶与缺陷态特征，报道了一类高效的ZMO传输材料（ZMO-LSS）。当以ZMO-LSS为电子传输层时QLEDs的EQE可高大22.3%，并可在200,000 cd m^-2的亮度下依旧保持大于20%的效率。基于此可说明在器件内的电子与空穴注入相对平衡，同时高载流子密度下的俄歇过程也得以完全地抑制。另外，本文更进一步分析了QLEDs工作中传输层与QDs界面的载流子动力学过程，验证说明了ZMO-LSS中丰富的浅缺陷态可与QDs的梯度能级结构形成明显的载流子弛豫现象。

【研究思路剖析】

本文通过优化ZMO-LSS中镁离子的掺杂比例，以此为传输层制备的红光QLEDs器件EQE（22.3%）远优于常规SOL-GEL沉淀法合成的ZMO（17.6%），同时工作寿命也得以明显延长。为验证效率提升的原因，本文结合瞬态吸收谱学（TAS）、变温PL寿命、以及器件EL寿命，对两类ZMO/QDs界面载流子动力学过程进行了细致的研究。此外，得益于ZMO-LSS优良的传输特性，本文结合纳米银线（AgNWs）电极构建出高效率的柔性QLEDs，柔性器件最大EQE可达24.0%，同时展示了大面积柔性QLEDs（~900 mm²）的制备。

【图文简介】

图1.

要点1. 在ZMO-LSS合成过程中，颗粒的成核与结晶被限制于纳米尺度的气泡中，因而此反应过程中会伴随着极端的高压环境，而ZMO-SOL的合成相对温和。ZMO-LSS缺陷诱导的可见光峰值较ZMO-SOL有着37nm红移，强度也相对较高，这些表明ZMO-LSS有着更为丰富的浅缺陷态能级结构。此外，TRPL表明ZMO-LSS缺陷态的激子寿命也相对较长。

图2.

要点2. 比对以最优化掺杂的ZMO-LSS与ZMO-SOL（Mg²⁺ molar ratio：7.5%）为传输层的QLEDs器件可得，应用ZMO-LSS时器件将有着更高的EQE与亮度。与此同时，QLED器件在10,000-200,000 cd m^-2的亮度范围内均未见明显的Roll-off现象，且高亮度下的工作寿命也得以明显地延长，说明ZMO-LSS非常适用于高亮度显示与照明的QLEDs。 

图3.

要点3. QDs在石英、ZMO-SOL与ZMO-LSS上的PLQY分别为85%、70%与84%，可见ZMO-LSS不会引起QDs的荧光淬灭。同时从TRPL与TAS基态漂白寿命（GSB）可见，QDs/ZMO-LSS界面处的非辐射复合过程得以很好地抑制。图中TAS中的多个漂白峰对应QDs核壳结构中的不同组分，通过比对QDs在石英与ZMO-SOL上的GSB分布发现，相同衰减时间下QDs在ZMO-LSS上时585-620nm处的GSB谱峰（指代ZnCdSe核）更为平坦，同时558nm处（指代ZnCdSe/ZnSe核壳界面）GSB谱峰得以增强，表明QDs核与内壳层中的激子态与ZMO-LSS之间存在着强耦合作用。考虑ZMO-LSS独特的浅缺陷态能级结构，可认定QDs/ZMO-LSS界面存在极长寿命的载流子弛豫，并延缓激子的损耗。 

图4

要点4. 本文也同时展示了基于ZMO-LSS传输层的柔性QLED器件，其有着24.0%的EQE与超过100,000 cd m^-2的亮度。得益于AgNWs电极良好的光散射特征，柔性器件的EQE效率甚至会优于以刚性ITO为电极的QLED，同时本文也展示了大面积柔性QLED的制备。

【意义分析】

本文巧妙地设计了一类缺陷态可调的掺镁氧化锌颗粒（ZMO-LSS），当应用其为电子传输层时QLEDs在200,000 cd m^-2的亮度下依旧可保持20%的EQE，并且适用于柔性与大面积QLEDs的制备。更为重要的是，本文进一步地通过TAS、低温荧光与瞬态EL在QDs/ZMO-LSS界面观测到长时间的载流子弛豫现象，将为后续的相关研究提供启发意义。

【通讯作者简介】

唐建新教授：苏州大学功能纳米与软物质研究院，教授、博士生导师。发表SCI论文200余篇，论文引用6000余次，申请发明专利20余项(授权11项)，撰写英文专著2部(章)。主持和参与973计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然基金重点项目等国家级/省部级项目多项。研究领域主要包括：(1) 有机和钙钛矿发光显示器件（OLED，PeLED）：主要开展发光器件在平板显示及固体照明领域的应用开发；(2) 有机和钙钛矿光伏电池器件（OSC, PeSC）：主要从事新型器件结构、光电转换过程以及结构调控的研究；(3) 半导体界面物理：研究有机异质结界面的电子态结构、载流子输运过程、以及瞬态电致发光和载流子复合过程动力学的研究。

期刊介绍：