高性能蓝光量子点发光二极管电子注入特性的研究

摘要

因其诸多优越的性质，胶体量子点(QDs)技术在过去30年里迅猛发展，逐渐应用于生产、科研中的各个领域。而Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点材料具有优越的量子产率、色纯度与光色可调性，是制备LED器件的理想材料。从1994年加州大学的Alivisatos等首次研制出胶体量子点LED(QLED)以来，量子点电致发光器件在材料、器件结构、制备工艺等方面都有了长足的进步。这些技术进步还伴随着人们对量子点电致发光效应背后的相关物理过程愈加深入的理解。然而，由于QD层的大带隙引起的电荷注入困难，蓝色QLED的性能目前显然劣于绿色和红色的性能。
　　本文中，我们引入了一种部分自然氧化铝阴极(Al∶Al2O3)，利用ZnCdS/ZnS核壳结构量子点作为发光材料，制备了性能优良的蓝光量子点LED器件。器件的亮度达13000cd/m2，最高电流效率1.1cd/A，并且有着457nm的电致发光峰与20.8nm的半峰宽，展现出纯净的深蓝发射光。我们还对自然氧化制备的Al∶Al2O3进行了一系列表征分析，证实了其对电子注入与激子有效复合的促进作用。这种自然氧化方法工艺简单价格低廉，为QLED中电子注入层/阴极的制备提供了新的思路。
　　在Al∶Al2O3阴极的基础上，本文还将ZnO纳米颗粒作为电子传输层插入量子点层与阴极之间制备LED器件，并调节ZnO层制备的条件，进一步提高了器件的性能。通过调控ZnO层退火的条件控制载流子注入的平衡，我们最终制备出了亮度高达37000cd/m2，电流效率4.5cd/A的高性能蓝光量子点LED器件。据我们所知，该器件的亮度是目前为止蓝光QLED的纪录。比较不同退火条件的ZnO层结合不同的阴极制备器件的性能，我们确定了ZnO的制备条件对于其中缺陷态密度以及电子迁移率的调整。这种调控载流子注入的平衡的方法不必改变器件原有结构，可以通过简单的退火手段使不同器件结构的载流子注入平衡达到最优，对量子点LED器件的相关后续研究具有启发意义。

目录

声明

摘要

1．1 引言

1．2 量子点发光二极管的研究背景

1．3 量子点材料的特性与常见构型

1．3．1 量子点的物理基础及光电子性能

1．3．2 量子点的表面钝化与核壳结构

1．3．3 合金构型的量子点

1．4 量子点LED器件

1．4．1 量子点LED的电致发光原理

1．4．2 量子点LED的常见器件结构与研究现状

1．5 论文选题依据与研究内容

第2章 器件制备及分析测试手段

2．1 器件的基本制备流程

2．2 分析测试手段

2．2．3 扫描电子显微镜与投射电子显微镜测量

2．2．4 吸收与荧光光谱测量

2．2．5 光电子能谱测试

2．2．6 时间分辨荧光测试

2．2．7 循环伏安测试

2．3 实验试剂与装置

2．3．1 常规试剂与耗材总结

2．3．2 常规试剂与耗材总结

2．3．3 测试分析仪器

第3章 ZnCdS／ZnS量子点材料的表征分析

3．1 引言

3．2 量子点的状态与形貌

3．3 量子点的光谱特征

3．4 量子点的光电子能谱特征

3．5 量子点的循环伏安特征

3．6 本章小结

第4章 引入部分自然氧化的铝阴极制备蓝光量子点LED

4．1 引言

4．2 Al：Al2O3阴极的物性分析与界面能级排列

4．3 量子点LED的器件设计

4．4 空穴传输层与量子点层优化

4．5 利用Al：Al2O3阴极制备LED器件

4．5．1 Al：Al2O3阴极制备工艺的优化

4．5．2 Al：Al2O3与Al阴极器件性能的对比分析

4．6 Al：Al2O3阴极作用机制研究

4．7 本章小结

第5章 利用ZnO电子传输层的量子点LED

5．1 引言

5．2 器件结构与能级排列

5．3 ZnO纳米颗粒层厚度优化

5．4 ZnO纳米颗粒层退火温度优化

5．5 ZnO纳米颗粒作为电子传输层器件性能的对比分析

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢