ZnO电子传输层中Mg扩散，提高QLED器件发光效率

【摘要】

量子点显示器件具有高光谱纯度、宽色域、高亮度等优势， 被认为是显示行业未来的一个重要发展方向。进一步降低了QLED器件电阻对于提高发光效率和降低功耗至关重要。来自浙江大学的研究者报告了一种通过将Mg原子原位扩散到ZnO基ETL中来制备高导电性QLED器件的简便方法。通过采用热蒸发Mg原子扩散到ZnO电子传输层中产生氧空位，促进电子输运性质。结果表面Mg扩散到ZnO电子传输层中在不改变器件外量子点效率的情况下，提高了器件的电导率和发光效率。该方法适用于各种光学结构的QLED器件，具有极大的应用前景。

在过去的几十年中，在开发长寿命高效率的QLED器件方面取得了令人鼓舞的进展，进一步降低QLED器件的电阻可以提高器件的亮度和发光效率(lm/W)，这对于实际应用中的低功耗具有重要意义。在QLED器件中，氧化锌通常被用来作为电子传输层，而提高氧化锌电子传输层导电性的常规方法是进一步增大氧化锌的粒径，但是粒径的增大，带隙变窄。将这些纳米粒子作为ETL应用于QLED器件中可能会导致QD层中激子的严重界面猝灭[1]。浙江大学研究者采用具有较低的电子亲和和相对较小的原子半径的Mg原子扩散到ZnO电子传输层中，大大提高了QLED器件的电导率。

图1. 热蒸发法制备Mg扩散ZnO薄膜的性能

如图1a为Mg原子蒸发扩散到氧化锌薄膜的原理图，采用热蒸镀的方法使得Mg原子扩散操作简单具备广泛的适用性。图1c是不同热蒸发Mg量Mg扩散ZnO薄膜的透射光谱，从图看出当Mg < 10 nm时，Mg扩散ZnO薄膜在可见光谱区保持95%以上的高透射率。图1f-h分别是利用导电原子力显微镜对Mg扩散ZnO薄膜的形貌和电学性能进行了表征,图1表明 Mg扩散工艺对提高ZnO ETLs电学性能的有效性。同时，当Mg＜10nm，Mg扩散不会影响氧化锌薄膜的微观均匀性。

图2. 镁扩散ZnO薄膜XPS图谱

图2为镁扩散ZnO薄膜XPS谱，图a中看出ZnO:Mg薄膜的Mg 1s光谱在1304.0 eV处有一个单峰，对应于Mg2+的信号。图b中ZnO:Mg薄膜的O 1s光谱与ZnO相似，由晶格中O2−对应的低结合能峰(530.2 eV, OI)和氧空位对应的高结合能峰(531.7 eV, OII)组成，随着Mg含量的增加，氧空位(OII)的相对强度增大。说明随着Mg含量的增加，氧空位含量增加，导电性提高。

图3为Mg扩散ZnO薄膜的单载流子器件和功函数测量，图3ab为针对Mg:ZnO制备成单电子器件的J-V曲线，从图b中看出，Mg扩散可以使ZnO薄膜的电子电流提高1个数量级以上。图3cd是测试偏压值，图中看出，Mg:ZnO导致Vbi略有增加，证明Mg:ZnO的功函数略有降低0.2 eV。图4为Mg扩散etl对底发光qled性能的影响，图4bcd可以看出，Mg:ZnO相对于ZnO纳米粒子器件，器件电流增大，发光效率增加，而EQE未出现明显下降，这里主要原因是QLED器件的激子是有先电子注入后空穴注入而产生，EQE的大小由电子和空穴共同决定[2]。

图3. Mg扩散ZnO薄膜的电子输运性质和功函数。

图4. Mg扩散ETL对底发光QLED性能的影响

总结

Mg热蒸发扩散到ZnO基ETLs提高QLED器件导电性和发光效率是一种简单有效的方法。热蒸发后的Mg原子能够以较长的穿透长度扩散到ZnO基ETL中，从而产生氧空位，大大提高了ETL的导电性。并且Mg扩散zno基ETL在不牺牲器件效率的情况下降低了QLED的电阻。该策略还可应用于具有各种不同光学结构的QLED器件，从而在光学性能方面都有显着的增强。

参考文献

[1] Chen, D.; Chen, D.; Dai, X.; Zhang, Z.; Lin, J.; Deng, Y.; Hao,
Y.; Zhang, C.; Zhu, H.; Gao, F.; et al. Shelf-stable quantum-dot lightemitting diodes with high operational performance. Adv. Mater. 2020,32 (52), 2006178 .

[2] Yunzhou Deng, Feng Peng, Yao Lu. Solution-processed green and blue quantum-dot light-emitting diodes with eliminated charge leakage[J]. Nature Photonics july 2022 :505–511.

[3] Xiaoqi Tang, Siyu He, Yunzhou Deng，et al．Mg-Diffusion of ZnO-Based Electron-Transport Layers for Highly Conductive Quantum-Dot Light-Emitting Diodes [J] J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 5812-5817 .

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