ACS Photonics：吉林大学—利用超声雾化喷涂技术制备高性能全无机量子点发光二极管

【引言】

照明和显示的研究是关系到国防需求和国计民生重要行业。目前，半导体电致发光主要分为三个方向：第一代的基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的电致发光（LED）；第二代的基于有机半导体材料薄膜的电致发光（OLED）以及第三代的基于无机半导体量子点（如CdS，CdSe，ZnSe，CuInS₂等）薄膜的电致发光（QLED）。其中，无机LED和OLED在照明、显示等方面一定程度上实现了商业化，而新兴的QLED仍处在研发阶段。但是由于QLED及量子点材料的许多独特的优势，如材料发光颜色从近红外到可见波段连续可调、窄的发光线宽、高的发光效率（量子效率高达90%以上）、极好的光稳定性和简单的低成本溶液加工处理等，能够弥补上述技术在面光源照明、高性能显示应用中的不足，成为产业界广泛关注的下一代技术。

值得关注的是，基于量子点背光源技术的液晶显示器已经成功走向商业化。然而，目前电致发光的QLED大都基于有机、无机杂化的器件结构。而有机材料的对水氧极其敏感，因此对器件的制备及后期封装提出了严格的要求，增加了器件的制备成本。因此，寻求性能更加稳定的无机材料作为电荷传输层是解决上述挑战，推动QLED市场化的关键。

【成果简介】

近日，吉林大学物理学院张汉壮（通讯作者）、纪文宇教授课题组与该校电子学院谢文法（通讯作者）教授课题组合作，利用超声雾化喷涂技术，制备了迄今为止性能最佳的全无机量子点电致发光器件（QLEDs）。

与普通的旋涂工艺相比，超声喷涂技术具有三大优势：一是其节省材料。对于普通的旋涂工艺，在旋涂过程中超过90%的材料被浪费掉了，而喷涂工艺中的材料利用率几乎为100%。二是喷涂工艺可以实现大面积器件的制备，而旋涂技术则不行。这就使得旋涂技术无法应用到工业化生产中。三是普通旋涂技术无法对器件进行掩膜从而实现像素点的制备，而喷涂技术完全可以兼容掩膜的工艺。而且目前有很多工艺技术用以提高此技术中的掩膜质量，这是成功制备高质量显示器件的最为关键的技术环节。总之，喷涂技术是一种低成本、高效的基于溶液法的薄膜制备工艺，有望在将来的工业化生产中得到应用。

在之前所报道的全无机器件中，量子点发光层被直接沉积在NiO空穴传输层上。由于溶液法（或磁控溅射）制备的NiO中存在大量的缺陷，使得与之直接接触的量子点的发光很大程度的发生了淬灭。鉴于此，纪文宇等人提出引入溶液法处理的Al₂O₃作为中间层修饰NiO空穴传输层，抑制了NiO对量子点的淬灭。该报道中，全无机器件电流效率达到20.5cd/A，亮度超过20000 cd/m²。相比之前所报道的器件，该器件的效率及亮度均有两个数量级的提高。此外，全无机QLED器件寿命达到8000小时。这是世界上首次对全无机QLED器件的寿命进行的报道。这对全无机QLED器件的发展起到了极好的推动作用，使人们看到了利用全无机QLED作为平台制备基于量子点的电致发光照明及显示器件的巨大前景。虽然该报道中只进行了绿光器件的制备，但是对于其他颜色器件，如红光和蓝光，利用此种工艺制备器件也是切实可行的。尽管如此，目前全无机器件在各方面性能上，尤其是器件寿命方面与传统的有机、无机杂化的QLED器件还有很大的差距。研究人员正在从材料和器件两方面进行深入的研究，最近，他们通过对电荷传输层的优化，使得器件的性能得到了进一步的提高。

（上述进展得到了国家自然科学基金委项目的支持。该课题组一直从事QLED的相关研究工作，近5年来，发表学术论文34篇(其中第一/通讯作者24篇)。该成果被美国化学学会进行了专门报道）。

【图文导读】

图1 雾化喷涂技术及器件结构示意图

(a) 雾化喷涂过程示意图，在喷涂过程中加入的氮气作为载气用以控制喷涂速度及液滴的分布；

(b) 器件结构示意图；

(c) 器件能级结构图。

图2 不同薄膜的AFM图

(a)沉积不同厚度Al₂O₃层后NiO的表面形貌；

(b) 2nm；(c) 5nm；(d) 8nm。

图3 QD薄膜的荧光显微镜图

量子点沉积在(a) NiO和(b) NiO/Al₂O₃层上。

图4 器件的光电特性

(a) 不同器件电压-电流特性曲线；

(b) 不同器件电压-亮度特性曲线；

(c) 不同器件电流密度-亮度效率特性曲线；

(d) 不同器件在器件在4.5V驱动电压下的发光光谱，插图为器件C在4.5V驱动电压下的发光照片。

图5 全无机QLEDs的阻抗谱

含有和不含有Al₂O₃层的器件的阻抗-电压-相位特性(a)和电容-电压图(b)。

图6 不同外加偏压的简化能带图

(a) Va = 0 V；(b) 3 > Va > 0 V；and (c) Va > 3 V。

图7不同薄膜的光致发光特性

(a) 相同厚度的量子点薄膜在不同沉底上的稳态光致发光光谱；

(b) 图（a）中所示样品的荧光衰减曲线。

【小结】

研究人员利用超声雾化喷涂技术，制备了迄今为止性能最佳的全无机量子点电致发光器件（QLEDs）。该器件电流效率达到20.5cd/A，亮度超过20000 cd/m²。相比之前所报道的器件，效率及亮度均有两个数量级的提高。此外，全无机QLED器件寿命达到8000小时。这项研究对全无机QLED器件的发展起到了极好的推动作用，使人们看到了利用全无机QLED作为平台制备基于量子点的电致发光照明及显示器件的巨大前景。

文献链接：Ultrasonic Spray Processed, Highly Efficient All-Inorganic Quantum-Dot Light-Emitting Diodes (ACS Photonics, 2017, DOI:10.1021/acsphotonics.7b00216)

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