用于双功能量子点发光二极管（兼具电致发光和光电检测特性）的电荷传输层厚度调控技术

《Journal of Luminescence》：Charge-Transport-Layer Thickness Engineering for Dual-Functional Quantum Dot Light-Emitting Diodes: Electroluminescent and Photodetection Characteristics

　　

申东硕|李洪妍

韩国阿?顺天乡大学电子材料、设备及工程系，邮编31538

摘要

我们通过调节电荷传输层（CTL）的厚度，研究了双功能量子点发光二极管（QLEDs）的电致发光和光检测特性。实验采用了倒置结构的氧化铟锡（ITO）/氧化锌纳米粒子（ZnO NP）/聚乙烯亚胺（PEI）/量子点（QD）/4,4′,4″-三（咔唑-9-基）三苯胺（TCTA）/氧化钨（WO_x）/银（Ag）架构。系统地改变了ZnO NP电子传输层（ETL；20–80 nm）和TCTA空穴传输层（HTL；20–70 nm）的厚度，以探究它们对电致发光和光检测性能的影响。在ETL系列中，20–80 nm的厚度范围内峰值亮度相当；而在HTL系列中，60 nm的厚度实现了最高的最大输出功率（P_MAX = 8.24 × 10^?7 W）和最高的填充因子（FF = 0.315）。这些结果表明，仅通过调节CTL的厚度，就可以独立或同时优化这两种功能，而无需修改量子点层或添加其他材料。这项工作为交互式显示器和光电融合应用中的双功能QLEDs提供了实用的设计策略。

引言

量子点（QDs）是一种半导体纳米晶体，其尺寸小于相应块状半导体的激子玻尔半径，因此具有强烈的量子限制效应[1]，[2]。这导致其能级可调节、发射线宽窄、光致发光量子产率高，并且光谱范围可从紫外延伸到近红外，使其成为高色彩纯度光电应用中的理想发光体[4]，[5]。自20世纪80年代初发现量子点以来，随着胶体热注入合成技术的发展，量子点已成为现代光电设备的关键材料平台[1]，[2]，[4]，[5]。量子点发光二极管（QLEDs）是一种将胶体量子点发光层置于电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）之间的电致发光器件[6]，[7]。由于其发射线窄、色域广和光化学稳定性高，QLEDs成为下一代显示器和固态照明的有希望的候选材料[6]，[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。特别是在器件结构和电荷注入控制方面的显著进步，使得QLEDs具备了高效和超亮的特性，进一步凸显了这一平台在先进光电应用中的潜力[8]，[9]，[10]，[11]。

除了电致发光外，量子点在光照下还能产生光生载流子并实现载流子提取，使得同一活性层在反向或零偏压下也能作为光探测器使用[12]，[13]。这种双光电特性使得QLEDs非常适合交互式显示技术，因为单个像素既能发光又能感知光线，潜在应用包括生物识别、手势识别和自适应光检测[12]。然而，在单个QLED中同时实现高电致发光性能和高效光检测仍然具有挑战性，因为这两种功能需要不同的载流子动力学。高效电致发光需要平衡的载流子注入和辐射复合[14]，[15]，而光检测则要求快速的载流子分离和提取[12]，[13]，[16]，[26]，[27]，[28]。以往的研究主要通过添加额外的功能中间层、改进的多层结构或替代的传感架构来解决这一矛盾[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]。尽管这些方法在某种程度上有效，但会增加结构复杂性，并可能降低工艺的简单性和可重复性。相比之下，电荷传输层（CTL）的厚度提供了一个简单且与工艺兼容的参数，用于调节载流子注入、复合区位置和内部电场分布，但其在对双功能QLEDs中的作用尚未得到系统研究。

除了二元发光外，白光发光器件的最新进展进一步扩展了金属卤化物和量子点发光体的应用范围。例如，Bi³⁺/Sb³⁺共掺杂的Cs₂AgNaInCl₆双钙钛矿已被证明是具有宽带自捕获激子发射的单组分白光发光体，实现了93的高显色指数和76%的光致发光量子产率[38]。同样，Bi³⁺/Te⁴⁺共掺杂的Rb₂SnCl₆钙钛矿也实现了动态激发依赖的双带发射和可调白光操作[39]。这些发展表明，基于量子点和钙钛矿的光电器件具有广泛的应用前景，其中双功能QLEDs是一个特别有吸引力的子集。我们强调，本工作的贡献不在于针对单一功能的传统CTL厚度优化，而在于系统地展示了同一CTL厚度参数如何同时控制两种不同的器件模式——正向偏压下的电致发光和零偏压下的光伏检测——在未经修改的QLED堆栈中。这种双功能视角揭示了单一功能研究无法得出的非平凡现象：最大化电致发光亮度的ETL厚度窗口与最大化光检测填充因子的窗口并不一致，而HTL厚度在60 nm时达到最佳值，此时电致发光亮度和光检测输出功率同时达到最大。据我们所知，这种针对倒置QLED平台的双功能厚度依赖性对比研究——仅使用标准的ZnO NP / TCTA电荷传输材料，未引入额外的功能中间层、改性的发光复合材料或串联堆栈[26]，[27]，[28]，[29]，[30]，[31]，[32]，[33]——此前尚未有过报道。

在这项工作中，我们通过调节电荷传输层（CTL）的厚度，研究了双功能倒置QLEDs的电致发光和光检测特性。采用倒置结构的氧化铟锡（ITO）/氧化锌纳米粒子（ZnO NP）/聚乙烯亚胺（PEI）/量子点（QD）/4,4′,4″-三（咔唑-9-基）三苯胺（TCTA）/氧化钨（WO_x）/银（Ag）架构，系统地改变了ZnO NP ETL和TCTA HTL的厚度，以探究它们对这两种功能的影响。我们证明，仅通过精确控制CTL的厚度，就可以独立或同时优化电致发光和光检测性能，而无需修改量子点发光层或引入额外的功能材料。这项研究为交互式显示器和相关光电应用中的双功能QLEDs提供了实用的设计指南。

章节摘录

实验

在涂有ITO的玻璃基底（150 nm ITO）上制备了倒置结构的QLEDs（ITO / ZnO NPs / PEI / QD / TCTA / WO_x / Ag），该基底作为阴极（图1）。ITO电极图案是通过常规光刻技术、365 nm紫外曝光和湿法化学蚀刻定义的，随后进行光刻胶剥离并用去离子水彻底冲洗。在器件制备之前，图案化的基底依次经过超声处理

结果与讨论

为了研究ETL厚度对电致发光性能的影响，将ZnO NP ETL的厚度从20 nm变化到80 nm，同时保持TCTA HTL的厚度为40 nm。图2展示了相应的开启电压、电流密度-电压（J–V）、亮度-电流密度（L–J）和电流效率特性。

开启电压是指亮度首次达到1 cd m^-2时的电压，对于ZnO NP ETL厚度分别为20 nm、40 nm和60 nm时，开启电压分别为3.06 V、3.09 V和3.04 V

结论

本研究表明，电荷传输层厚度工程是调节基于倒置ITO / ZnO NPs / PEI / QD / TCTA / WO_x / Ag架构的双功能QLEDs电致发光和光检测特性的有效方法。通过仅改变ZnO NP ETL（20–80 nm）和TCTA HTL（20–70 nm）的厚度，我们阐明了电荷传输层厚度如何影响电荷注入平衡、复合行为和光生载流子的提取。

作者贡献声明

李洪妍：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。申东硕：撰写——初稿、方法学设计、实验研究、数据分析

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了信息与通信技术规划与评估研究所（IITP）-创新人力资源发展（由顺天乡大学研究基金（20%）的支持。