抑制固态薄膜量子点Förster共振能量转移 — 助力实现高效发光二极管

胶体量子点因具有发光颜色可调、色纯度高、荧光效率高、光稳定性好和易溶液加工等独特的优点,被作为发光层应用于发光二极管并引起了人们的广泛关注。近年来,随着量子点化学合成工艺的进步,溶液态的量子点的光致发光效率(PL QL)已接近100%,但当量子点紧密堆叠组装成固态薄膜时,由于激子的能量可以通过FRET(Förster resonance energy transfer)机制传递给相邻的量子点或淬灭中心,导致量子点薄膜的荧光效率急剧下降,进而限制发光二极管的效率。FRET的效率随着给体与受体间的距离的增大而急剧下降,因此可以通过增加量子点之间的距离来抑制FRET。目前,通过将量子点嵌入到有机聚合物中,或者增加量子点壳层的厚度,可以有效的抑制量子点间的FRET。但是,将量子点均匀的掺杂进聚合物有很大的难度,因为它们之间会发生相分离;而增加壳层的厚度,或利用聚合物包覆量子点,虽然可以有效阻隔FRET,但同时也会影响电荷的注入,对器件的电荷平衡产生负面影响。因此,如何有效的抑制量子点间FRET而不影响电荷的注入,仍然是悬而未决的问题。

针对这一问题,南方科技大学电子与电气工程系陈树明课题组提出了量子点掺杂抑制激子淬灭的新策略,并制备出了基于红光和蓝光量子点互混的二元量子点发光层。在此发光层中,红光量子点作为发光材料均匀的分布在蓝光量子点中,而蓝光量子点作为“固体溶剂”将红光量子点有效分隔开来,从而阻断激子能量在红光量子点间的FRET,有效的抑制了激子的淬灭,提高了量子点薄膜的荧光效率。以此为基础,该研究团队制备出了外量子效率为21.64%的红光量子点发光二极管。相关结果近期发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201902092)上。

在量子点发光层中,一般会存在带有缺陷的量子点,这些缺陷量子点会作为复合中心淬灭其周围的激子。在非掺杂的红光量子点发光层中,激子可通过多次FRET,将能量扩散、传递给周围的激子,其扩散长度可长达30 nm。这意味着以缺陷量子点为中心,方圆30 nm内的量子点的激子将会被缺陷量子点所淬灭,从而导致量子点薄膜PL QY的下降。当使用二元量子点发光层时,红光量子点的激子扩散路径被蓝光量子点隔断,从而降低了激子被缺陷量子点淬灭的机率,使发光层的PL QY从50.04%提高至74.9%。该团队发现,当发光层的厚度与单层量子点的厚度相当时,由于蓝光量子点的电荷注入势垒大于红光量子点,大部分电荷优先注入红光量子点,并在红光量子点复合。即使在较大电压下(8 V),激子也仍然只在红光量子点复合,证明了发光层中的蓝光量子点仅作为“固体溶剂”,并不参与发光。在器件中,由于发光量子点直接与电子传输层和空穴传输层连接,所以量子点的电荷注入特性没有发生变化,因而器件的电荷平衡也没有因“固体溶剂”的引入而受到影响。由于此二元发光层可以在保证器件电荷平衡的前提下,提高其自身PL QY,所以器件性能得到显著提高。该工作通过量子点互混掺杂的简单操作,成功的解决了量子点薄膜激子淬灭的问题,为实现内量子效率达100%的量子点发光二极管提供了一条行之有效的简单路径。研究者相信,此二元量子点发光层还有很大潜力有待挖掘,并将会为进一步提高绿光和蓝光量子点发光二极管的效率打开另一扇窗户。