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《南京大学》 2019年
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硅基钙钛矿量子点异质结发光二极管的制备及器件性能研究

刘婧婧  
【摘要】:钙钛矿发光二极管具有色纯度高、亮度高、颜色可调、能耗低以及易实现大面积制备等优势,在大尺寸显示与照明领域具有广阔的应用前景。随着研究的深入,器件正向着多功能、小型便捷、可集成以及低功耗的趋势发展。Si具有成熟的制备工艺和平台,是当今微电子行业的主导材料。将Si与钙钛矿材料相结合不仅可以获得紧凑且轻便的多功能器件,还有望能够实现大面积光电集成,扩展钙钛矿的应用领域。因此,将无机钙钛矿量子点器件与Si材料相结合是一个有趣的科研课题。然而,未掺杂的单晶硅与钙钛矿量子点之间存在能级不匹配,空穴的注入效率低,器件的发光效率低等问题。本论文针对此问题,将Si与钙钦矿结合,采用掺硼的p-Si作为空穴注入层,合理设计发光二极管器件结构,常温下能够得到绿光和红光发射硅基钙钛矿发光二极管;利用Poly-TPD材料调控器件能带结构提高器件的性能;利用Au纳米结构的等离子共振效应进一步提高器件的性能;并研究直流、交流不同驱动模式下器件的发光性能的变化,为硅基钙钛矿发光二极管的实际应用提供了可能。主要研究内容如下:1.制备基于无机钙钛矿量子点CsPbX3/p-Si异质结的全无机发光二极管,器件结构为:ITO/ZnO/CsPbX3/p-Si/Al,实现了室温下的515 nm绿光和683 nm红光发射。绿光器件的输出功率密度为0.14mW/cm2,红光器件的输出功率密度为0.25 mW/cm2。研究表明由于CsPbI3量子点和p-Si之间的具有较小空穴注入势垒,所以红光器件的开启电压低于绿光器件。在直流驱动模式下观察到在高电流密度下器件发光强度下降,交流驱动能够有效改善器件性能衰减的现象。在交流驱动模式下,由于交替的正负偏压会减小器件界面处电荷累积,降低热效应对器件的损害,最终器件的电致发光增强,在高电流密度下器件的工作稳定性也得到了提高。将钙钛矿量子点与Si结合有助于实现硅基光源,扩展钙钛矿的实际应用。2.钙钛矿量子点和Si之间的能带不完全匹配限制了器件性能,为了进一步提高器件的发光性能,我们在钙钛矿量子点和p型Si之间插入一层Poly-TPD来调节器件的能带结构,制备ITO/ZnO/CsPbX3/Poly-TPD/p-Si/Al发光器件,Poly-TPD材料可以降低空穴的注入势垒,阻挡电子的反向传输。基于CsPbI3量子点的发光器件的功率密度可以达到1.68mW/cm2,外量子效率(External Quantum Efficiency,EQE)为0.91%,与参考器件相比增强了34倍,稳定性得到了提高,器件连续工作1h之后,发光强度衰减为原来的4.4%;基于CsPbBr3量子点的器件中也观察到类似的光发射增强现象,光输出功率密度达到0.6mW/cm2,比参考器件增强了 13.6倍。我们的结果表明,通过合理的光学和电子设计可以实现高效、稳定性的硅基钙钛矿发光器件,有助于以紧凑和轻量的形式实现光电集成以及多功能电子器件。3.为了进一步提高无机钙钛矿量子点器件的发光强度,我们合成直径约为20 nm 的 Au 纳米颗粒(Au Nanoparticals,Au NPs)和尺寸为 20(±2)nm × 40(±5)nm的Au纳米棒(Au Nanorods,Au NRs),并且分别引入到空穴传输层中,形成ITO/ZnO/C sPbX3/Poly-TPD/Au/p-Si/Al发光器件结构,研究局域表面等离子共振对钙钛矿器件性能的影响。Au纳米颗粒的共振峰位于521 nm左右,与CsPbBr3量子点的荧光发射峰完全匹配。我们将AuNPs引入空穴注入层,实验结果表明,CsPbBr3量子点器件的发光强度增强2倍左右;输出功率密度增加到1.2 mW/cm2,这是由Au NPs和CsPbBr3激子之间的局域表面等离子共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)耦合引起的。Au纳米棒具有526nm、695nm两个共振峰,分别和CsPbBr3量子点和CsPbI3量子点的发射峰完全匹配。在空穴传输层中加入AuNRs之后,由于局域表面等离子共振耦合的存在,CsPbBr3量子点和CsPbI3量子点器件发光强度均得到了提高。4.高功耗和低亮度一直制约着钙钛矿发光二极管(Perovskite Light-emitting Diodes,PeLED)发展进程。这里,我们通过交流(Alternating Current,AC)驱动模式改善了基于CsPbI3量子点和p型Si衬底的PeLED的发光强度,并且降低了电流密度。在不同的驱动电压模式下(正弦脉冲偏压或方波脉冲偏压),观察到频率相关的电致发光(Electroluminescent,EL)现象。方波脉冲偏压下的器件在相同电压下呈现更强的EL强度。方波脉冲偏压驱动下的红色PeLED EL强度下降现象得到了进一步改善,驱动电压高于8.5 V时,EL积分强度几乎呈线性增加。由于交流驱动减少了电荷在器件界面或缺陷中的累积,因此红色PeLED与直流驱动相比具有更高的工作稳定性。我们的工作为获得高亮度、低功耗和高稳定性的发光器件提供了有效的方法。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN312.8

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