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【新材料案例】显示科技未来技术 - QLED纳米新材料

更新时间:2024-07-04      点击次数:186



研究背景



自硒化镉纳米晶体量子发光二极管的发现以来,近年来量子发光二极管(QLED)引起了人们的极大兴趣,有望成为下一代主流显示技术。

QLED的核心技术之一是使用无机纳米颗粒代替传统的有机分子作为电子传输层(ETL),以实现颜色可控性和纯度、半峰全宽窄的发射波长和长寿命。

纳米材料的制备的关键问题是控制颗粒的可重复性和尺寸均匀性。稳定的纳米颗粒的可重复性差会导致QLED性能不一致。同时,纳米颗粒尺寸分布的不均匀性会导致QLED发射区域出现黑点。


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今天给大家介绍,如何利用康宁微通道连续流反应器来精准控制的纳米材料的合成,制备具有适度电子迁移率、良好可重复性、均匀尺寸分布和贮存稳定性的Zn1-xMgxO纳米颗粒。




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浙江师范大学的研究者,在国家自然科学基金等项目的资助下,使用康宁高通量微通道反应器(AFR)合成Zn1-xMgxO纳米颗粒(NPs),作为红色量子发光二极管(QLED)的电子传输层(ETL)的方法。相比传统的一锅法合成的NPs,AFR合成的NPs具有更均匀的尺寸分布和更好的可重复性。


1.传统釜式合成NPs

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图1. Zn1-xMgxO 的一锅法合成

研究团队为了对比连续流合成和传统一锅法合成的区别,按照之前报道过的方法,使用醋酸锌和醋酸镁一水合物前驱体与四甲基氢氧化铵(TMAH)作为分散剂,在烧瓶中60℃反应1.5小时得到了对比批次并进行了结果分析。

2.在康宁AFR微反应器系统上的合成

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图2. 在AFR上连续合成 Zn1-xMgxO 示意图

微通道实验部分

  • 使用0.1M Zn(OAc)2•2H2O和Mg(OAc)2• 4H2O的水溶液,按不同的Zn2+:Mg2+比例混合,作为阴离子输入到AFR的一根管道中,流速为6 mL/min。

  • 同时,使用浓度为0.5 M的五水合甲基四胺氢氧化物(TMAH•5H2O)作为阳离子,通过AFR的另一根管道输入,流速为2 mL/min。

  • 反应器中的反应物在不同的温度下混合反应。

  • 反应结束后,用乙酸乙酯沉淀并收集产物。

  • 将沉淀的Zn1-xMgxO纳米颗粒用乙酸乙酯洗涤并离心,然后在氮气条件下用乙醇分散制备浓度为30 mg/mL的Zn1-xMgxO油墨进行性能测试。

3.制备QLED器件

在典型的QLED制作中,每个功能层连续旋涂在预涂有氧化铟锡(ITO)的玻璃基板上作为阳极。将样品转移到真空室中,沉积厚度为100 nm的铝作为阴极。为了验证QLED性能的外部量子效率(EQE)的可重复性,使用上述微通道合成的Zn1-xMgxO作为ETL层制备了批量QLED器件。


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1. 形貌表征


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图3. Mg离子掺杂浓度为x=15%的Zn1-xMgxO纳米颗粒的形态和尺寸分布

纳米颗粒的形态和结构性质还通过HRTEM观察进行了进一步表征。

  • 图3c展示了使用康宁AFR合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒的尺寸和形态的HRTEM图像。在60°C下合成的Mg离子浓度为x = 15%的Zn1-xMgxO纳米颗粒具有均匀的尺寸分布,从2.5到4.5 nm不等,平均直径为3.5 nm,如图3c所示。

  • 图3c的插图是从一个Zn1-xMgxO纳米颗粒记录的代表性HRTEM图像,显示了纳米晶体的细节和其单晶性质。晶格的显示图像与纤锌矿ZnO的(002)平面相匹配,略小于标准值0.52 nm。这是Mg离子嵌入ZnO晶格的证据,因为Mg离子的半径(0.57 Å)略小于Zn离子的半径(0.60 Å),并且Zn离子与Mg离子的置换将导致晶格的收缩。

使用AFM分析测量了从使用AFR和传统一锅法合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒形成的薄膜的表面形貌,如图3d、e所示。

  • 使用AFR合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒形成的薄膜的表面粗糙度为0.72 nm,

  • 而传统一锅法合成的薄膜的表面粗糙度为1.77 nm。

AFR合成的纳米颗粒形成的更光滑的表面保证了它与其他功能层之间更好的接触界面和更高效的电荷注入,例如在制备QLED等电子器件时。与釜式反应器相比,康宁LRS流动光化学反应器显著提高了时空产量(STY),提高了37倍。

2. 光谱表征

近紫外吸收测量能够确定这些NPs中的量子限制效应。在这里,测量了紫外-可见吸收光谱,以研究带隙变化与镁离子浓度增加之间的关系。

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图4. AFR合成的NP(a)和传统一锅法合成的NP在不同Mg掺杂浓度下的紫外-可见吸收光谱

对于通过AFR和传统一锅法合成的NPs,如图3a、b的吸收光谱所证实的,带隙的蓝移随着Mg掺杂浓度的增加而发生。

  • 值得注意的是,对于由AFR合成的NPs,在x=0%至x=15%的掺杂范围内,带隙的增加与Mg浓度的增加几乎是线性的。

  • 当掺杂浓度进一步增加到x=20%时,带隙变化的斜率变得平滑,表明最佳掺杂浓度在x=5%左右,如图4a所示。

  • 在传统的一锅合成方法的情况下,带隙随着Mg掺杂浓度的增加而发生不规则变化,如图4b所示。

3.制备不同红色QLED并比较性能表现

为了研究通过AFR和传统一锅法合成的Zn1-xMgxO NPs的电子传输特性,用Zn1-xMgxO(x=15%)NPs制备了红色QLED器件,并标记为器件A(AFR合成)和B NPs(一锅合成)。

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图5.(a) QLED的原理图,(b) J−V−L,(c)EQE−L、(d)C.E.−L和(e)P.E.−L特性,(f) 两个样本的载波移动性。

它们性能的综合比较如图4所示:

  • 图5a显示了典型的器件结构。

  • 图5b中红色QLED的电流密度-亮度-电压(J−L−V)曲线所示,设备A的开启电压为1.92 V。在8835 cd m−2的亮度下,设备A最大EQE达到12.1%,对应于17.56 cd A−1的最大电流效率(C.E.)和18.21 lm W−1的功率效率(P.E.),如图5c−E所示。

  • 与器件B相比,器件A的导通电压降低了1.5%,EQE、C.E.和P.E.分别提高了25.13%、21.6%和26.9%。

  • 图5b还表明,在0至2.04V的低电压下,器件A的电流密度低于器件B的电流密度,这意味着器件A的漏电流较低。据信,Zn1-xMgxO NPs的均匀尺寸分布是低漏电流的原因,因为形成了更光滑的表面。如支持信息内的另一个观察结果表明,器件A的发光均匀性和寿命均优于器件B。

所有上述性能的提高都是器件A(AFR合成NPs)中作为ETL的Zn1-xMgxO NP的更均匀的尺寸分布带来的的好处。


实验结论


通过使用康宁连续流反应器LFR合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒,在实验中得出了以下结论。

  • AFR合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒具有可控的均匀尺寸分布稳定的批次重复性

  • 与传统的一锅法合成方法相比,AFR平台能够克服尺寸不均匀、重复性差和储存寿命短等问题

  • 在最佳掺杂浓度为15%的情况下,QLED的外部量子效率、电流效率和功率效率分别提高了25.1%、21.6%和26.9%。

  • AFR合成的Zn1-xMgxO NPs在QLED中表现出稳定且均匀的发光特性,具有在科学研究和工业应用中的潜在价值。

  • 通过快速的优化反应条件,成功合成了具有可控均匀尺寸分布和稳定批次重复性的Zn1-xMgxO纳米颗粒。这些纳米颗粒在制备红色量子点发光二极管(QLEDs)时作为电子传输层显示出稳定而均匀的光发射。

这些研究结果表明,AFR合成的Zn1-xMgxO纳米颗粒在科学研究和工业应用方面具有巨大潜力。因此,这项研究对于未来QLED显示面板制造的需求具有重要意义。




参考文献:

ACS Appl. Electron. Mater. 2022, 4, 1875−1881