馬普所Nat. Mater.: PLED失效機制——電流應力下產生空穴陷阱

【引言】

聚合物發光二極管（PLED）在大尺寸顯示器和照明面板領域具有可觀的應用前景，然而PLED在電流應力下有限的使用壽命阻礙了其商業化進程。盡管科研人員在過去的二十年來進行了大量的研究，我們仍不能深入理解PLED的失效機理。當以恒定電流驅動時，PLED表現出驅動電壓增大光輸出降低的退化特性。

【成果簡介】

近日，德國馬普高分子所N. Irina Cr?ciun教授（通訊作者）團隊報道電流應力下PLED失效機制的研究工作。該研究發表于Nature Materials，題為“Hole trap formation in polymer light-emitting diodes under current stress”。該工作證明了恒定電流驅動PLED產生的電壓漂移是因為形成了空穴陷阱，自由電子和束縛空穴之間進一步發生非輻射復合降低了PLED發光。研究對象為基于PPV型共軛聚合物的PLED，通過觀察不同電流應力下空穴陷阱的形成速率，可以確定激子與自由空穴相互作用形成空穴陷阱是PLED退化的主要機制。并進一步通過使聚合物與大帶隙半導體復合降低空穴陷阱的形成密度，得到了穩定性更高的復合型PLED。

【圖文導讀】

圖1. 電流應力下PLED退化現象

(a).在10 mA cm^?2, 25 mA cm^?2, 35 mA cm^?2 和50 mA cm^?2電流密度下SY-PPV PLED電壓-時間曲線。

(b).在10 mA cm^?2, 25 mA cm^?2, 35 mA cm^?2 和50 mA cm^?2電流密度下SY-PPV PLED亮度-時間曲線。

圖2. 電流應力下PLED中空穴陷阱的形成

(a).在10 mA cm^?2, 25 mA cm^?2, 35 mA cm^?2 和50 mA cm^?2電流密度下SY-PPV PLED退化過程中空穴陷阱密度。

(b).長時間退化（10h，20h，40h，50h和70h）時空穴陷阱密度隨電流密度變化趨勢。

(c). 短時間退化（5min和15min）時空穴陷阱密度隨電流密度變化趨勢。

圖3.電流應力下PLED亮度隨時間衰減

(a-d).在10 mA cm^?2, 25 mA cm^?2, 35 mA cm^?2 和50 mA cm^?2電流密度下SY-PPV PLED亮度-時間曲線。

圖4. 空穴陷阱密度隨時間變化曲線

(a).SY-PPV, BEH-PPV和MEHPPV PLEDs在35mA cm^-2電流密度下空穴陷阱密度隨時間變化曲線。

(b).歸一化處理的空穴陷阱密度隨時間變化曲線。

圖5. 復合型PLED退化特性

(a). MEH-PPV PLED和MEH-PPV:PVK (1:1)-PLED在35mA cm^-2下的電壓-時間曲線。

(b). MEH-PPV PLED和MEH-PPV:PVK (1:1)-PLED在35mA cm^-2下的空穴陷阱密度-時間曲線。

【小結】

該工作確定了激子與自由空穴相互作用形成空穴陷阱是PLED失效的主要機制，這使我們能夠更深入的認識各種聚對苯衍生物的失效行為。該失效機制的提出也為我們設計性能更優良的PLED提供了新的思路，即通過使發光聚合物與大能隙半導體相互調制來抑制空穴陷阱對電壓和效率的影響。由于陷阱稀釋，這些發光聚合物與大能隙半導體混合的PLEDs也將顯示出前所未有的穩定性與使用壽命。

文獻鏈接：Hole trap formation in polymer light-emitting diodes under current stress (Nat. Mater., 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0057-x)

本文由材料人電子電工學術組二正正笑春風供稿，材料牛整理編輯。

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