撰文:CCL 责编:CCL

  

  前言:

  QLED是什么可能很多人不知道,但你一定听过OLED。对,就是那个很多年来,一直想要代替LCD雄霸显示界却不争气的家伙有机发光二极管(OLED)。而,QLED就是在OLED身后捅了一刀,从O变成Q了。那毕竟QLED与OLED有什么不同呢?有什么优势呢?QLED又是如何制造的呢?今天小编向各位介绍一篇综述(如图1),这篇综述来自浙江大学化学系金一政老师课题组。该综述全面的介绍了从无机量子点纳米晶到QLED显示器件的完整“产业链”。

  图 1

  从优势开端谈起:

  为什么是QDs?在论文的Introduction部分,作者概括的介绍了无机量子点(主要是CdSe系)的基本发光原理和优异的发光性能。但请划分近两年比较炽热的量子点显示电视和QLED的区别?目前,市场上流畅的量子点电视其实仍是LCD,量子点只不外是取代了传统的荧光粉。主要是利用了量子点纳米晶的光致发光原理。而QLED则将是一个颠覆性产品,原理是电致发光(详细原理请见下文)与OLED相似。量子点纳米晶之所以能够在显示范畴崭露头角主要是因为其发光效率超高、颜色超纯(图2c)、且稳定性好。

  图 2

  QLED vs LCD vs OLED:本文详细比较了这三者。首先看看QLED与传统LCD的差别。比较图2a和图2b,一目了然,QLED比LCD的结构简略很多。没有了液晶层,没有了滤色层。不仅如此,AM(active matrix)-QLED能够实现对于每个像素的开关,在实现强烈对照的同时还节能。当然,在一定程度上也解决了液晶所导致的视角窄的问题。对于屏幕的像素(图2a),各位可能没有直观的影响。小编专门拿个简易显微镜,对着电脑屏幕拍了一张照片(图3)。对,你的屏幕就是这个样子滴。

  图 3

  LCD已经被完爆,再来看看QLED与OLED的差别。首先,QLED能够到达颜色饱和度更高,见图2d。对于RGB中的任何一种颜色,QLED都几近极致。颜色纯的利益就是能够不必颜色过滤器,从而节俭能量耗散。其次,目前很多高性能QLED的操作电压低,能量转换效率高。第三,QLED的“稳定性好”。目前应用于QLED的量子点都是核壳结构,这种结构中的激子被限域在核中,不会容易收到影响。同时,较之有机的O,无机的Q本身的稳定性也会高很多(当然在实际工业中,OLED和QLED,谁稳定性好,还需要验证)。另外,量子点合成都是在溶液中完成,这样利于后期成膜,做器件都可能很便利。

  一切源于量子点纳米晶的可控合成

  量子点的种类许多。构造、组成、形貌都可调变,但并非所有的量子点纳米晶都适合用来做显示。本综述在介绍量子点的时候,第一段就正中要害:

  “Displays demand efficient radiativerecombination of electrically generatedexcitonsin solid-state QD filmsto emit red, green and blue photons”

  要满意QLED的要求,第一, 量子点本身的性能要好;第二,制成膜或者管后,量子点之间的相互影响要小。为了满意这两大要求,量子点合造诣演化出了三大工程:1. 晶体工程(Crystal engineering);2. 组成工程(Composition engineering);3. 表面配体工程(surface and ligand engineering)。

  1. 晶体工程:

  这篇综述中,作者用目前最为常用的CdSe基核壳结构量子点为例,详细论述了如何玩转这三大工程。就量子点本身而言,核壳结构(CdSe/CdS)量子点的量子效率高(亲近100 %),稳定性好,而且可以消除Blinking现象。

  在量子点制成膜后轻易诱发FRET现象(关于TRET:https:// en.wikipedia. org/wiki/Förster_resonance_energy_transfer)导致效率下降。已经有研究明白表明,FRET现象有很强的尺寸依赖性。对于核壳量子点,壳的尺寸越大FRET现象越不显著。这种核壳结构量子点很好的运用于红光QLED中。

  图4

  2. 组成工程:

  CdSe/CdS核壳结构在红光QLED中得到了很好的应用,但却无法推广到绿光和蓝光。核壳结构会导致电子的离域,光谱的红移。要想把激子紧紧的限域在核内,必须引入宽带宽的壳,比如ZnS。但ZnS与CdSe的晶格匹配度低,难以外延成长成完美的核壳结构。应对的方法是通过引入合金层解决晶格匹配的问题。目前,高效率的绿光和蓝光QLED都是来自合金化的核壳量子点。

  3. 表面配体工程:

  我们每天说无机量子点纳米晶。实在他们并非完全的无机物。简直所有的无机量子点纳米晶表面都有一层有机配体。QLED的性能与这些有机配体息息相关。配体的作用如下:

  1.配体与量子点相互依存,就好比唇和齿的关系。2.配体能够消除表面缺陷。最近,彭老师课题组发现,CdSe/CdS表面的未成键S位点和吸附在表面的H2S是两种很深的空穴捕捉中心(图5a)。3.配体影响量子点膜中电荷的转移。有研究表明,短链配体更利于电荷与空穴的转移与传递(图5b)。4. 配领会影响量子点薄膜整体能级结构(图5d)。

  图5

  从稳定性角度考虑,配体好像越长越好;但从载流子流动角度斟酌,仿佛又是越短越好。这下配体为难了,长也不是,短也不是。为了能够解决这一问题,彭老师课题组提出了熵配体的概念(如图5c所示,关于熵配体的详细介绍请参见研之成理的前期分享:)。带有一定支链的配体,在保障量子点纳米晶足够稳定性的同时,溶解度大大增加,从而也解决了载流子传输的问题。这一配体概念的引入使得QLED的能量转化效率提高的~ 30 %。

  QLED可不仅仅是量子点,CLTcharge transporting layer)同样至关重要

  在QLED的结构中,QDs薄膜被电子传输层(ELT)和空穴传输层(HLT)夹在中间。电子从负极通过ELT传输到QDs中,空穴从正极通过HLT传输到QDs膜中。不仅如斯,ELT和HLT还需给QDs层供给合适的环境。所以及格的CLT至少要知足三点:1.适合的光电性能,包含能带结构、导电性、功函数;2.稳定性足够,最好能够隔水隔氧,以维护中间QDs。3.拥有溶液加工性。

  在QLED发展初期,CLT层主要是由有机物形成。后来逐渐发展为全无机,比方:ZnO作为ELT层;NiO作为HLT层。或者有机无机混杂层:ZnO作为ELT层,有机分子作为HLT层。从CLT的发展过程可见,金属氧化物材料占有一定的比例。氧化物CLT的制备过程通常有两种:1.前驱体法,行将氧化物前驱体负载到基底上,然后原位高温反映生成氧化物薄膜;2.纳米晶法,即先合成出金属氧化物纳米晶,然后再附着到基底上。目前主流的是第二种方法。因为先驱体法中,原位高温反应对整个体系的影响比较大:第一温度高,第二会有一些无法避免的副产物,好比水等。

  在该综述中,作者选择了ZnO ELT作为研究对象,详细剖析了如何通过合成化学来调变其光电特性。例如:通过掺杂高价金属元素(Al3+,In3+等)可以进步ZnO的导电性和降低其功函数,如图6a所示。掺杂(如Mg)还可能转变ZnO的能带结构,如图6b所示。通过后处置的方法,能够消除ZnO纳米晶的表面缺点,或者引入新的中间能级,从而在一定水平上下降功函数(图6c)。当然,ZnO纳米晶的尺寸与其能带结构、以及薄膜的导电性都息息相关。

  图6

  应用第一步单色QLED 原型

  QDs薄膜、CLTs薄膜都齐备了,在形成QLED之前,还必需研究单色QLED Prototype。这个Prototype的主要目标在于研究QDs层与CLTs层的相互关联,以及整个系统电致放光的过程。文中首先介绍了三大参数:EQE(External Quantum Efficiency)、PCE (Power Conversion Efficiency)、T50, 盘算公式如下图7、图8:

  图7

  g, hrc and hout are the fraction ofinjected charges that form excitons, the ratio of the radiatively recombinedexcitons under operational conditions and the light out-coupling efficiency,respectively

  图8

  Idet(l) isdetected optical intensity at wavelength between land l + dl, V is applied voltage, h is Plank’s constant, q iselectronic charge and c is speed of light in vacuum.

  图9

  L0 isthe initial brightness and n is the acceleration factor

  EQE和PCE这两大指标主要受到电荷守恒(charge balance)和萃灭机理(quenching mechanism)的影响。显而易见,只有在电子与空穴平衡注入的情形下,量子点才有可能实现完美的辐射跃迁。一旦两者不均衡,式二中的g值就会降低,EQE数据也会下降。不仅如此,QDs层中电荷的累积容易导致各种非辐射跃迁现象的产生,比如俄歇跃迁。就目前主流的QLED(ZnO为ELT层,有机物为HLT层)而言,ELT层电子的传输效率比HLT层空穴的传输效率高很多。为了实现电荷平衡,要么改良HLT层,要么削弱ELT层。通过引入双层HLT概念(图10a、10c),比如NPB + LG101;p-TPD/PVK 可以在一定程度上提高空穴的注入。有研究表明,通过高温焙烧,能够部分消除ZnO内部的能带,从而降低ZnO ELT层的电子移动性(图10b)。还可以在ZnO层与QDs层中间参加绝缘层(PMMA层)的方式来减少电子的注入,从而实现电荷平衡(图10c)。

  图10

  关于荧光萃灭的方式有很多种,如图11所示。有些是由于量子点自身结构不完美导致,有些是量子点间的相互作用导致,有些是量子点与电荷传输层间的相互作用导致,还有些是由于电荷累积或者外电场导致。此外电荷流动发生的热量对激子的复合方式也会产生影响。

  图11

  寿命永远是工业化的一个重要指标。2014年以前,100 cd/cm2下,T50不超过104小时。但近两年的发展,红光和绿光的T50超过105小时。文中指出提高寿命需要从两方面动身:1.优化资料自身以及之间相互作用;2. Charge balance。

  从单色Prototype到全色QLED显示:

  本节内容主要波及QLED如何从试验室走向工业化。实验室中Prototype相对大块,旋涂办法即可。而工业中RGB像素无法通过旋涂法实现。目前最有前景的QLED工业制备方法是打印。可能是直接inkjetprint,也可能是transfer printing。喷墨打印的优势多,不用分说。但其需要解决的两大问题是:如何避免图层的再溶解?如何消除咖啡圈现象?较之inkjet printing,transfer printing的增加了一个过渡模型,防止了纳米晶溶剂对器件的影响。如图12所示。

  图12

  展望与挑衅:

  最后,作者总结出了QLED贸易化的要害几个步骤:

  1.蓝光QLED器件成为瓶颈。

  红光、绿光QLED的发展迅猛,但蓝光QLED性能差能人意,100 cd/cm2下的T50 ~ 1000 h,与红光、绿光相差甚远。为什么蓝光难做。首先,蓝光量子点纳米晶的研究就不透彻。Blinking现象还未能消除。其次,蓝光量子点间的相互作用,以及与CLTs之间的相互作用都还有很多未解之谜。正因为这些原因,蓝光QLED被作者称为QLED的圣杯。

  2.“失活”机理的未知

  要想进入市场与OLED争天下,寿命是要害之一。目前,没有一个系统的实践说明QLED失活机理。内部因素、外部因素各影响几何,不得而知。

  3.大规模工业化可行吗?

  上文已经提到了通过打印的方法来制备QLED。但目前还没有一个胜利的生产线涌现。目前,只能刮目相待。




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