Advanced Functional Materials:环保型厚壳层蓝光InP量子点器件制备

QLED是一种以量子点作为发光材料的器件,具有色域广、光效高、耗电量低、可喷墨打印、柔性等特点。InP量子点材料作为Ⅲ-Ⅴ半导体材料的代表,具有较大的激子波尔半径,量子限域效应强,不含汞、镉、铅等重金属,同时具有优异的稳定性,具有广泛的应用前景。QLED显示利用QD独立发射红、绿、蓝三基色构成一个像素,通过调节三种颜色的比例来产生彩色像素。红绿蓝三色光源对显示都至关重要,缺一不可。目前蓝光QLED性能与红光和绿光存在较大差距,已成为制约全彩色InP QLED发展的主要瓶颈之一,并且目前主流的InP合成路线使用三(三甲基硅基)膦 [(TMS)3P]作为P源,(TMS)3P的价格昂贵,与空气接触后会产生剧毒的磷化氢气体,不利于产业化合成。

为此南方科技大学孙小卫教授与合作者使用价格便宜(1/80倍)、稳定性好的三(二甲基胺基)膦[(DMA)3P]作为P源,制备出发射峰为468 nm的纯蓝光InP/ZnS量子点。通过有效的去除硬脂酸锌残留,制备出高效InP蓝光QLED器件。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202005303)。

在制备InP/ZnS量子点时,由于在包壳过程中加入过量的硬脂酸锌,反应结束后会形成硬脂酸锌微球,通过离心很难完全去除硬脂酸锌杂质。虽然硬脂酸锌可用氯仿作溶剂进行提纯,但由于氯仿极性强,在纯化过程中,量子点表面的配体容易脱落,从而导致量子点的QY的下降。为了彻底去除硬脂酸锌的同时减少表面缺陷的引入。团队通过加入S-TOP与硬脂酸锌反应,过量的S-TOP会与残留的硬脂酸锌发生反应生成ZnS单体。同时,生成的ZnS单体可以被包覆在InP/ZnS量子点的表面上,从而增加InP/ZnS壳层的厚度。当壳层厚度增加时,量子点的稳定性也明显提高。在365 nm 紫外灯(8 mW/cm2)照射10小时后,InP/ZnS/ZnS量子点的QY下降至50%,而InP/ZnS量子点的QD减少至23%。

图1厚壳层InP/ZnS/ZnS量子点合成示意图与稳定性测试

InP/ZnS/ZnS-QLED相对于InP/ZnS -QLED,最大电流效率由1.3 cd/A增加至3.6 cd/A,EQE由0.6%增加至1.7%, 在6 V电压下亮度由25 cd/m2增加至140 cd/m2。在8 V电压下电流密度也由32 mA/cm2提高至125 mA/cm2。同时,由于载流子注入效率的提高,开启电压从原来的4.2 eV下降到3.1 eV。器件性能的提高主要有两个方面的原因。首先,量子点壳层厚度的增加可以降低量子点中的能量转移。其次,将剩余的硬脂酸锌与S-TOP反应,提高了空穴注入效率。该研究极大的推动了蓝光InP QLED在发光显示领域的进步。

图2 (a) QLED的能级图;(b) InP/ZnS/ZnS QDs的PL和EL光谱; InP/ZnS和InP/ZnS/ZnS的器件特性 (c) 电流效率与电流密度曲线;(d) EQE与电流密度曲线;(e) 电流密度与电压曲线;(f) 亮度与电压曲线