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《北京交通大学》 2017年
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基于量子点的电致发光器件关键技术研究

马航  
【摘要】:量子点作为一种无机半导体材料,具有发光光谱窄、色纯度高、光化学稳定性好,以及发光颜色可通过调节粒径大小实现等优点,在电致发光器件方面具有巨大的应用价值。基于量子点的发光二极管(quantum dot light-emitting diodes,QLED)是一种以量子点作为发光层的电致发光器件,与有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLED)相比有很大的优越性,在显示设备领域得到了越来越广泛的应用。论文以提高QLED器件性能为研究目标,在对QLED器件结构、工作机理、制备工艺进行理论分析和实验研究的基础上,深入探讨了量子点电致发光器件的结构性能关系等关键技术问题。从提高量子点电致发光器件的发光性能出发,在结构设计、功能层厚度确定、载流子注入平衡、器件效率等方面展开了广泛而深入的研究。论文的主要工作和创新如下:1.建立了双层及改进型双层结构的QLED器件载流子注入和复合发光模型。仿真分析了空穴传输层(hole transport layer,HTL)厚度和量子点层厚度之比对器件电流密度的影响,以及改进型双层结构QLED器件复合电流密度和复合效率与驱动电压之间的关系。得到了当HTL厚度和量子点层厚度之比为3:2时,改进型器件的载流子复合效率最高的结果。2.建立了三层结构QLED器件载流子注入模型。通过引入电子传输层(electron transport layer,ETL),仿真分析了 HTL和ETL厚度之比对器件注入电流密度的影响。得到了当HTL和ETL厚度之比在小于2的范围内,空穴和电子在量子点层的复合效率最高的结果。3.利用 Fowler-Nordheim(F-N)注入和空间电荷限制电流(space-charge limited current,SCLC)模型,仿真分析了不同电子传输层材料,以及不同空穴传输层材料的三层结构QLED器件内部载流子在量子点层的注入电流密度,确定了各功能层的理论最优厚度。发现了器件在工作时,存在转变电压的现象。4.研究了 QLED器件的制备工艺,系统分析了真空蒸镀法和溶液旋涂法在有机、无机和金属薄膜制备过程中的优缺点。研究了 QLED器件的失效机理,确定了制备QLED器件的最佳工艺。5.研究了功能层厚度对QLED器件性能的影响。制备了不同厚度HTL、ETL和电子阻挡层(electron block layer,EBL)的QLED器件。得到了不同功能层厚度与电流密度、电流效率和光谱之间的关系,验证了仿真分析的可行性。制备了红绿量子点混合作为发光层的QLED器件,得到了分层旋涂量子点优于混合旋涂量子点的器件性能的结果。6.将压电薄膜聚偏氟乙烯(PVDF)引入到QLED器件结构中,制备了基于不同厚度PVDF薄膜的QLED器件。得到了 PVDF薄膜作为修饰层,可以提高器件电流密度、亮度和电流效率的结果。
【关键词】:量子点发光二极管 隧穿注入 空间电荷限制电流 能级 电流密度 PVDF
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN383.1
【目录】:
  • 致谢5-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-14
  • 1 引言14-28
  • 1.1 研究背景与选题意义14-15
  • 1.2 现代显示技术分类15-19
  • 1.2.1 LCD显示设备15-16
  • 1.2.2 LED显示设备16-18
  • 1.2.3 OLED显示设备18-19
  • 1.3 量子点在电致发光器件方面的应用19-25
  • 1.3.1 量子点简介19-20
  • 1.3.2 量子点发光二极管研究进展20-22
  • 1.3.3 量子点发光二极管在显示设备中的应用22-25
  • 1.4 论文的主要内容和结构25-28
  • 2 量子点电致发光器件的工作机理28-40
  • 2.1 量子点电致发光器件的构成28-32
  • 2.1.1 聚合物材料作为电荷传输层的量子点电致发光器件28-29
  • 2.1.2 有机小分子材料作为电荷传输层的量子点电致发光器件29-30
  • 2.1.3 无机材料作为电荷传输层的量子点电致发光器件30
  • 2.1.4 有机无机双层材料作为电荷传输层的量子点电致发光器件30-32
  • 2.2 量子点电致发光器件的材料性能32-34
  • 2.2.1 发光层材料32
  • 2.2.2 空穴传输层材料32-33
  • 2.2.3 空穴注入层材料33
  • 2.2.4 电子传输层材料33-34
  • 2.2.5 电子阻挡层材料34
  • 2.2.6 电极材料34
  • 2.3 量子点电致发光器件的工作机理34-39
  • 2.3.1 发光机理34-35
  • 2.3.2 载流子注入35-37
  • 2.3.3 载流子传输37
  • 2.3.4 激子的形成及复合37-38
  • 2.3.5 能量转移理论38-39
  • 2.4 本章小结39-40
  • 3 量子点电致发光器件结构性能研究40-60
  • 3.1 双层器件结构对量子点器件发光性能的影响40-45
  • 3.1.1 理论模型40-43
  • 3.1.2 结果与讨论43-45
  • 3.2 改进的双层器件结构对量子点器件发光性能的影响45-51
  • 3.2.1 理论模型45-48
  • 3.2.2 结果与讨论48-51
  • 3.3 三层器件结构对量子点器件发光性能的影响51-57
  • 3.3.1 理论模型51-53
  • 3.3.2 结果与讨论53-57
  • 3.4 本章小结57-60
  • 4 量子点电致发光器件传输层厚度与性能的关系60-76
  • 4.1 电子传输层厚度对器件性能的影响60-67
  • 4.1.1 Alq_3作为电子传输层器件功能层厚度的确定60-63
  • 4.1.2 ZnO作为电子传输层器件功能层厚度的确定63-67
  • 4.2 空穴传输层厚度对器件性能的影响67-74
  • 4.2.1 NPB作为空穴传输层器件功能层厚度的确定67-70
  • 4.2.2 PVK作为空穴传输层器件功能层厚度的确定70-74
  • 4.3 本章小结74-76
  • 5 量子点电致发光器件制备工艺及测试方法研究76-96
  • 5.1 量子点电致发光器件制备相关实验试剂与仪器76-77
  • 5.1.1 量子点电致发光器件制备相关实验试剂76
  • 5.1.2 量子点电致发光器件制备相关仪器76-77
  • 5.2 量子点电致发光器件的工艺研究77-88
  • 5.2.1 ITO基底的清洗和表面处理77-78
  • 5.2.2 真空蒸镀有机小分子薄膜和金属电极78-80
  • 5.2.3 溶液旋涂有机和无机功能层薄膜80-84
  • 5.2.4 器件的封装84-85
  • 5.2.5 量子点浓度及类型对器件发光特性的影响85-88
  • 5.3 量子点电致发光器件失效机理研究88-92
  • 5.3.1 工艺过程中薄膜厚度引起的失效88-90
  • 5.3.2 阴极表面气泡的分析90-91
  • 5.3.3 器件黑斑的分析91-92
  • 5.4 量子点电致发光器件测试方法92-94
  • 5.4.1 发光光谱的测量92
  • 5.4.2 电流密度-电压特性的测量92-93
  • 5.4.3 发光亮度-电压特性的测量93
  • 5.4.4 电流效率-电压特性的测量93-94
  • 5.5 本章小结94-96
  • 6 几种不同功能层的量子点电致发光器件的性能研究96-122
  • 6.1 Alq_3作为电子传输层的量子点发光器件的制备96-101
  • 6.1.1 器件的制备96-97
  • 6.1.2 测试结果与讨论97-101
  • 6.2 电子阻挡层TPD对量子点发光器件性能的影响101-109
  • 6.2.1 器件的制备101-102
  • 6.2.2 测试结果与讨论102-109
  • 6.3 ZnO作为电子传输层的量子点发光器件的制备109-115
  • 6.3.1 器件的制备109-110
  • 6.3.2 测试结果与讨论110-115
  • 6.4 红绿混合量子点作为发光层的量子点发光器件的制备115-120
  • 6.4.1 器件的制备115-116
  • 6.4.2 测试结果与讨论116-120
  • 6.5 本章小结120-122
  • 7 基于PVDF的量子点电致发光器件122-132
  • 7.1 晶体的压电性122-123
  • 7.2 PVDF作为修饰层对器件性能的影响123-128
  • 7.2.1 仿真分析123-125
  • 7.2.2 器件的制备125-126
  • 7.2.3 测试结果与讨论126-128
  • 7.3 PVDF作为阻挡层对器件性能的影响128-131
  • 7.3.1 器件的制备128-129
  • 7.3.2 测试结果与讨论129-131
  • 7.4 本章小结131-132
  • 8 结论132-134
  • 参考文献134-142
  • 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果142-146
  • 学位论文数据集146

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