您的位置:中华显示网 > 新闻动态 > 产品应用 >

重大突破!南方科技大学孙小卫教授团队通过喷墨打印制备出业界寿命最长的量子点发光二极管

编辑:chinafpd 2021-09-28 17:12:45 浏览:353  来源:中华显示网

  近日,南方科技大学孙小卫讲席教授团队基于喷墨打印纳米材料技术,通过调控墨水组元,开发相对应的新型梯度真空退火方式,用来特殊制备高性能打印量子点发光二极管,其中红色量子点发光二极管使用寿命(T50@1000nit)可超过25000 h,绿色超过20000 h。并以“High Performance Inkjet-printed Quantum-dot Light-emitting Diodes with High Operational Stability”为题,在国际著名期刊《先进光学材料》(Advanced Optical Materials)在线发表研究论文。

  研究背景

  量子点发光二极管(QLED)由于其优异的颜色纯度、宽的色域和低制造成本,被认为是下一代显示应用的主流候选器件。近二十年来,随着量子点(QD)合成的不断细化和器件制备的发展,QLED的性能有了很大的进步。然而,大多数高性能QLED是通过旋涂(SC)技术制备的,该技术目前仅适用在实验室中制备小面积器件(<1cm2),此外,旋涂工艺会有超过95%的材料被浪费。喷墨打印(IJP)技术,作为一种无接触,集约型的沉积技术被引入光电子制造领域以来,用于柔性和透明显示的印刷发光二极管的报道越来越多,受到了学术界和工业界的高度关注。

  但IJP-QLED与SC- QLED相比,其效率和稳定性较差,阻碍了其在实际显示面板中的进一步发展。因此,人们在提高印刷器件效率方面进行了许多尝试,例如通过改变量子点的配体来提高其性能,开发合适的溶剂体系,和新的后处理方式。与SC过程中QD溶液在离心力的作用下扩散不同,墨水在IJP工艺下,会以液滴形式自由铺展在基材上。而在墨滴干燥过程中,由于毛细作用溶质会聚集在墨滴的边缘,这导致了表面的严重粗糙(咖啡环效应),影响QLED的寿命及效率。因此,IJP器件和SC器件之间仍然存在效率差距,这主要是由于印刷层表面的不理想造成的。

  图1. 喷墨打印工艺及量子点成膜示意图

  此外,溶剂的选择有限也是阻碍IJP-OLED/QLED发展的主要障碍之一。例如,聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4 ' -(N-(4-丁基苯基)(TFB)]层作为一种常见的HTL层,会被传统墨水严重腐蚀。最近的研究提出了一些克服这一问题的策略,包括设计可连接的HTL材料或使用耐腐蚀的HTL材料,如聚(n -乙烯基咔唑)(PVK).然而,与这些HTL材料相比,TFB由于其固有的电稳定性,更适合于使用寿命较长的QLED中的HTL层。因此,虽然通过这些策略提高了IJP-QLED的效率,但设备的使用寿命却受到了影响,无法满足行业的要求。因此,设计一种与多种HTL材料兼容的新型油墨系统,对于高效、稳定的IJP-QLED至关重要。

  研究内容及成果

  基于此,研究团队指出适用于制备IJP-QLED的QD墨水应满足以下条件:1)QD具有良好的溶解性;2)良好的印刷性和成膜性;3) 对下层材料无损害。基于以上三个要求,研究团队设计了一种新型三元QD油墨(TQ-ink)系统,该系统既能抑制咖啡环效应,又不会损伤TFB层。相应地,开创性的使用三级梯度真空后处理(GVP)的方法搭配新的墨水体系,可以进一步提高印刷层的质量。

  TQ-ink的设计思路具有普适性,其中包括溶解元,增稠元和调节元。针对QD(CdSe)的主要溶剂通常具有低沸点和低粘度的溶解元,如辛烷(粘度0.51 cP),以及高沸点的调整墨水粘度的增稠元,1-cyclohexyl-ethanol(粘度2.5 cP)。然而,如果只是双元体系,则蒸发过程会完全离散,即,虽然两种溶剂同时开始蒸发,但辛烷值的蒸发会迅速完成,之后成为单一溶剂(1-环己基-乙醇)蒸发过程,仍会产生严重咖啡环效应,影响薄膜质量。因此,添加另一种中间沸点的调节元(醋酸正丁酯)使两种组分调和。针对不同的分散颗粒,三元种类和比例可以针对性的调整,但是体系思路是一样的。

  针对这种新型的TQ-ink体系,研究团体受到传统钢铁热处理工艺的启发,提出了梯度真空退火(GVP)方式,与之配合。对于GVP系统,开发了一个计算机控制程序来控制连接到真空室的泵(分子泵和机械泵)。通过程序,采用慢速分步压力控制,使三个油墨组分在腔内先后蒸发,最终在基片上形成无针孔、无凹凸表面的均匀QD层。(中国专利:一种量子点墨水、QLED器件及其制备方法和应用(2021105132030.8))

  图2.(a)TQ-ink墨水对下层友好,(b)不同真空方式对打印形貌的影响,(c)TQ-ink搭配GVP方式成膜机理图

  图3.IJP-QLED寿命

  基于TQ-ink体系和GVP技术,我们在TFB上印刷了一层均匀的QD,其粗糙度小于1nm。墨水体系与TFB层正交;TFB没有损伤。因此,漏电流大大降低,电荷注入显著增强,从而使印刷器件具有优异的性能。红色IJP-QLED的最大亮度为104,679 cd/m2,最大EQE为19.3%,在1000 cd/m2时半亮寿命(T50)高达25,178 h。同时,采用相同TQ-ink系统和GVP方法的绿色和蓝色IJP-QLED也表现出了出色的EQE(18.0%和4.4%)和运行稳定性(1000 cd/m2时寿命为20,655 h, 100 cd/m2时寿命为46h)。红绿蓝 IJP-QLED的寿命和效率是迄今为止报道的印刷设备中最高记录。

  相关研究工作得到了科技部国家重点研发计划项目(2016YFB0401702)国家自然科学基金项目(No. 61674074, No. 61875082, No. 61405089, No. 62005115);广东省重点区域研发计划项目(No. 2019B010925001, No. 2019B010924001); 广东大学先进量子点显示与照明重点实验室(No. 2017ksys007),广东省自然科学基金杰出青年基金资助项目(No. 2017B030306010)的大力支持。

  图4. IJP图案化QLED器件

  未来发展

  研究者相信在墨水的调控和成膜后处理方面的进行协同改进,可以将器件的效率和稳定性提高到一个更高的水平,为喷墨打印器件的发展提供了新的思路,也证实了印刷QLED在工业化制备道路上的应用前景,有助于喷墨打印技术在平板显示产业中的发展。

标签:

关注我们

公众号:china_tp

微信名称:亚威资讯

显示行业顶级新媒体

扫一扫即可关注我们