氧化物胶体纳米晶的可控合成及其在溶液工艺发光二极管中的应用

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胶体氧化物纳米晶具有出色的溶液加工性、独特的光电性能可调性和优异的化学稳定性,有极大潜力作为载流子传输材料应用于高性能的溶液工艺光电器件。溶液工艺光电器件的结构多样,同时所涉及的活性层材料丰富,因此为特定器件“量身定制”载流子传输层需要调控氧化物纳米晶的能带结构和光电性质。  本研究从胶体氧化物纳米晶的光电性能调控出发,分别以电子传输层材料----n型ZnO基纳米晶和空穴传输层材料——p型NiO基纳米晶作为对象,通过对反应体系的深入研究与合成路线的创新设计,实现了有机相制备掺杂/合金化氧化物纳米晶,并在此基础上通过发光二极管(light emitting diode,LED)原型器件证明可控掺杂/合金化提升了NiO基纳米晶空穴传输层的性能。理解胶体氧化物纳米晶的合成化学是对其进行性能调控和应用开发的前提,也是本论文主要研究的问题。对于 ZnO基材料,我们发现醇解反应路径中金属前驱体反应活性的调控对于杂离子的引入和避免杂质分相具有决定性作用,从而结合“能带工程”概念,成功地制备出CdxZn1-xO合金纳米晶。通过制备多种尺寸的CdxZn1-xO和MgxZn1-xO以及纯ZnO纳米晶并测量其光学禁带宽度,总结出量子限域效应和合金化共同作用的ZnO基合金纳米晶禁带宽度的变化规律,实现了ZnO基纳米晶的禁带宽度在3.3~3.9 eV范围内的连续调控。对于NiO基材料,我们基于两种不同的杂原子引入方法,成功地将 Co2+和 Cu2+分别引入 NiO的晶格中,分别将得到合金元素成分从0到100%连续变化的CoxNi1-xO氧化物合金纳米晶和单一组分的CuxNi1-xO纳米晶;从金属前驱体反应活性出发,引入“表面掺杂”的概念,解决在前驱体反应活性差异极大的情况下的掺杂/合金化难题。以CuxNi1-xO纳米晶为例研究空穴传输材料光电特性的调控对于提升溶液工艺 LED器件性能的作用。首先证明了 Cu2+的引入可以有效地提升NiO纳米晶薄膜的电导率;而后选择量子点发光二极管(quantum-dot light emitting diode,QLED)为原型器件,分别利用NiO和CuxNi1-xO纳米晶作为其空穴传输层。我们发现 CuxNi1-xO纳米晶的器件相比于 NiO纳米晶的器件性能有显著提升:开启电压降低,功率效率提高。这一结果预示CuxNi1-xO纳米晶空穴传输层有可能在高性能QLED中扮演重要角色。
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