浙大金一政團隊 Adv. Mater.：一舉兩得！利用電子傳輸雙層助力QLEDs高存儲穩定性和工作性能

【背景介紹】

量子點發光二極管（QLEDs）具有量子點（QDs）的穩定、高效和高色純度發射等優點，制成的大面積電致發光器件是顯示器和固態照明應用的理想選擇。近十年來，QLEDs的性能顯著改善。利用透明負極/空穴注入和傳輸層/QDs/氧化物電子傳輸層（ETL）/金屬正極的多層混合結構的最新QLED具有高效率和長使用壽命。然而，目前尚無報道證明QLEDs能夠兼具較高的工作性能和較長的存儲壽命。需注意，目前高性能的QLEDs大多存在正老化行為，即在幾天內的短時間存儲后，包括效率、電導率和工作壽命在內的器件性能的改善。這種現象暗示QLEDs的儲藏穩定性差。因此，迫切需要解決最先進的QLED的儲藏穩定性較差的方案。

【成果簡介】

近日，浙江大學金一政教授（通訊作者）等人報道了在常用的封裝型丙烯酸樹脂中，有機酸引發的原位反應會導致正老化。最重要的是，原位反應的進行會不可避免地導致負老化，即長期貯存后器件性能變差。通過深入的機理研究，主要集中在原位化學反應和QLEDs的貯存老化行為之間的相關性。在機理研究的基礎上設計出了一種電子傳輸雙層，既提高了導電性，又抑制了界面激子猝滅。這種材料創新使得紅色QLEDs在儲存180天后，表現出可忽略的外部量子效率變化（>20.0%）和超長工作壽命（T₉₅:1000 nits時為5500 h）。該工作為設計氧化物電子傳輸層為實現貯存穩定和高性能的QLEDs提供了理論依據，也為基礎研究和實際應用提供了新的起點。該工作成果以題為“Shelf-Stable Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with High Operational Performance”發表在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、紅色QLED的正老化和負老化
（a）器件結構；

（b-c）封裝器件的J-L-V特性，以及在充氮氣手套箱中存放0、1、21和70天的相應EQE-V關系；

（d）隨時間變化的貯存期峰值EQE，在4.0 V時的電流密度和開啟電壓；

（e）貯存壽命分別為1、21和70天的器件在10000 cd m^-2下T₉₅工作壽命的直方圖。

圖二、未封裝紅色QLEDs和酸處理紅色QLEDs的貯存期行為
（a）未封裝器件在充氮氣手套箱中存放0、1和7天后的J-L-V特性。

（b-c）兩種酸處理1天后QLED的J-L-V特性和相應EQE-V關系；

（d）異丁酸處理器件的峰值EQE，在4.0 V時的電流密度和開啟電壓與貯存老化時間的關系。

圖三、酸誘導的原位反應及其影響
（a）在1天酸處理前后，XPS分析顯示了ITO/Zn_0.9Mg_0.1O/Ag樣品中Ag和Zn的相對原子比；

（b）在1天酸處理前后，純電子器件（ITO/Al/Zn_0.9Mg_0.1O納米晶體/Ag）的J-V曲線；

（c）在弱酸處理前后，Zn_0.9Mg_0.1O薄膜的傅立葉變換紅外光譜；

（d）沉積在石英基板上的原始QD薄膜、QD/Zn_0.9Mg_0.1O薄膜和弱酸處理QD/Zn_0.9Mg_0.1O薄膜的時間分辨PL衰減；

（e）在飽和的異丁酸蒸氣密度下，氮氣氛中暴露7天的紅色QLED的STEM橫截面圖像；

（f）與不同量的異丁酸反應后，Zn_0.9Mg_0.1O薄膜的吸光度；

（g）隨時間變化的水含量，將異丁酸注入裝有Zn_0.9Mg_0.1O薄膜的密封玻璃瓶中后12 min內水含量明顯增加。

圖四、C-ZnO和O-ZnO的設計
（a）QD/Zn_0.9Mg_0.1O、QD/O-ZnO和QD薄膜在2.0 eV時的歸一化褪色動力學。

（b）QD/Zn_0.9Mg_0.1O、QD/O-ZnO和QD薄膜在時間上對應的PL衰減；

（c）O-ZnO納米晶體的典型TEM圖像；

（d）溶液中O-ZnO納米晶體和Zn_0.9Mg_0.1O納米晶體的吸收光譜和PL光譜；

（e）C-ZnO納米晶體的典型TEM圖像；

（f）基于C-ZnO納米晶體或Zn_0.9Mg_0.1O納米晶體的純電子器件（ITO/Al/氧化物納米晶體（150 nm）/Ag）的J-V曲線。

圖五、具有雙層氧化物ETL的貯存穩定的紅色QLEDs
（a）樣品橫截面的STEM-HAADF圖像，顯示了器件結構；

（b-c）新制器件和貯存180天后器件的J-L-V特性，以及相應EQE-L關系；

（d）以恒流模式驅動的新器件和貯存老化器件（180天）的穩定性對比；

（e）兩個QLEDs在L₀分別為2700和11800 cd m^-2時的長期（>1000 h）穩定性數據；

（f）從20臺新制器件和20臺貯存老化器件（100天）測量的T₉₅在1000 cd m^-2下使用壽命的直方圖。

【小結】

綜上所述，該研究解決了QLEDs的貯存穩定性問題。最先進的QLEDs效率高、使用壽命長，但是貯存穩定性差。研究表明，最先進的QLEDs的戰場老化（正向老化和負向老化）均源于酸誘導的原位反應。貯存老化的機理與QLEDs的工作老化的失效機理不同，后者主要與注入電荷引起的化學或電化學反應有關。為了消除使用酸性封裝樹脂，作者設計了C-ZnO/O-ZnO雙層ETL，同時實現更高的電導率和抑制的界面激子猝滅。這種新的ETL實現了貯存穩定的紅色QLEDs，具有很高的操作性能。此外，作者報道的穩定存儲器件提供了簡化的模型系統，非常適合進行基本機理研究，同時該穩定可靠的高性能器件代表了開發QLEDs的新起點。

文獻鏈接：Shelf-Stable Quantum-Dot Light-Emitting Diodes with High Operational Performance. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006178.

本文由CQR編譯。

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