CuOx作为空穴注入层在量子点发光二极管中的应用

摘要

在过去二十年中，为了有效利用量子点的高色纯度，高光致发光量子产率和光物理稳定性，量子点发光二极管已得到广泛研究。在传统的QD-LEDs器件中，作为空穴注入层材料的PEDOT:PSS，具有较高的透过率，较高的功函以及良好的载流子传输性能。然而，PEDOT:PSS的酸性和吸湿性极易腐蚀 ITO电极，影响器件的发光显示性能及稳定性。为解决该问题，多种材料被用来替代PEDOT:PSS。其中，过渡金属氧化物，如WO3、MoO3、NiO、CuOx和V2O5等，由于具有良好的稳定性和优异的载流子迁移率而受到广泛的关注。在这其中，铜的氧化物（CuOx）作为典型的p型半导体材料，在提高空穴注入方面具有一定优势，并成功的在太阳能电池领域得到应用。CuOx膜的制备方法较丰富，如真空沉积法、化学合成法、溶液法等。其中溶液法制备工艺简单、成本低，便于在全溶液法QD-LEDs中应用。
　　本论文主要围绕溶胶凝胶法制备CuOx薄膜及其在QD-LEDs器件中的应用展开工作。设计基于CuOx空穴注入层的多种器件结构，研究CuOx具有的空穴注入能力。进一步设计CuOx/PEDOT:PSS叠层复合结构，平衡器件中的载流子浓度。同时，复合结构减少对ITO的腐蚀，增加器件的稳定性。本论文将从以下三个方面开展工作：
　　（1）CuOx薄膜的溶胶凝胶法制备及其表征。采用乙酰丙酮铜作为前驱体材料，氯苯为溶剂，通过溶胶凝胶法制备 CuOx薄膜。分析表明，选取不同浓度的前驱体溶液成膜，其粗糙度均相对较小，有效填补了ITO电极的表面缺陷，使其表面光滑平整，并且具有相当高的透过率。结构表征显示，CuOx薄膜的表面化学成分不是单一的，而是一价铜与二价铜的混合物，确保了CuOx为p型半导体，适合用作空穴注入层材料。
　　（2）以 CuOx薄膜作为空穴注入层，设计如下 QD-LEDs器件结构：ITO/CuOx/TFB/QDs/ZnO/Al。优化膜厚度、退火温度、UV-O3处理时间等实验参数，不同条件下的处理能够改变膜表面的化学组成及形貌，经优化可得到合适的Cu+:Cu2+比例和价带位置，提高空穴注入效率，从而提高器件的性能。最终得到最高亮度为27860 cd/m2、最大电流效率为11.34 cd/A、最大功率效率为5.74 lm/W的QD-LEDs器件。同时，通过UPS的表征发现：CuOx的加入，能够影响TFB的能级位置，降低了空穴注入势垒，使空穴注入更加方便，从而使器件性能得到提高。
　　（3）设计CuOx/PEDOT:PSS复合结构作为空穴注入层用于QD-LEDs器件，优化实验参数，提高器件性能，并研究相关机理。将CuOx插入在ITO与PEDOT:PSS之间，一方面CuOx能够填补ITO表面的缺陷，使得PEDOT:PSS在较为平整的表面上成膜，得到更加光滑平整的薄膜；另一方面，由于CuOx的价带顶位于ITO与PEDOT:PSS之间，可形成“阶梯化”能级，减小空穴注入势垒，使空穴注入更加方便，进一步提升空穴和电子在发光层的复合几率。经复合结构优化的器件，最高亮度可达60200 cd/m2，与标准器件相比，提高约24％。器件的电流效率和功率效率则分别为33.03 cd/A及24.70 lm/W，与标准器件相比，增加幅度分别为32%及39%，同时，EQE可达7.80%，提升明显。进一步对器件进行的寿命测试也表明，复合结构的器件具有更优异的稳定性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 量子点发光二极管（QD-LEDs）的发展概况

1.1.1 量子点的结构及优势

1.1.2 QD-LEDs的发展历程

1.1.3 QD-LEDs的工作原理

1.2 金属氧化物在光电器件中的应用概况

1.2.1 金属氧化物的应用

1.2.2 铜的氧化物的应用

1.3 目前存在的问题

1.4 本论文的主要研究内容

第二章 CuOx作为空穴注入层在器件中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与实验仪器

2.2.2 实验过程

2.3 结果与讨论

2.3.1 CuOx薄膜的性能

2.3.2 绿光QDs的表征

2.3.3 CuOx薄膜的厚度对器件的影响

2.3.4 退火温度对器件的影响

2.3.5 UV-O3处理时间对器件的影响

2.3.6 CuOx改善器件性能的机制研究

2.4 本章小结

第三章 CuOx/PEDOT:PSS复合结构在QD-LEDs器件中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与实验仪器

3.2.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 绿光QDs的表征

3.3.2 器件结构对性能的影响机制研究

3.3.3 CuOx/PEDOT:PSS复合结构的AFM表征

3.3.4 CuOx/PEDOT:PSS复合结构的透过率表征

3.3.5 CuOx/PEDOT:PSS复合结构的单空穴器件研究

3.3.6 膜厚度对器件性能的影响

3.3.7 CuOx/PEDOT:PSS复合结构作为空穴注入层的器件性能

3.3.8 器件寿命研究

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢