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南方科技大學孫小衛教授團隊通過噴墨打印制備出業界壽命最長的量子點發光二極管

來源:網絡 發布日期:2021-09-30 278

 

近日,南方科技大學孫小衛講席教授團隊基于噴墨打印納米材料技術,通過調控墨水組元,開發相對應的新型梯度真空退火方式,用來特殊制備高性能打印量子點發光二極管,其中紅色量子點發光二極管使用壽命(T50@1000nit)可超過25000 h,綠色超過20000 h。并以“High Performance Inkjet-printed Quantum-dot Light-emitting Diodes with High Operational Stability”為題,在國際著名期刊《先進光學材料》(Advanced Optical Materials)在線發表研究論文。

研究背景

量子點發光二極管(QLED)由于其優異的顏色純度、寬的色域和低制造成本,被認為是下一代顯示應用的主流候選器件。近二十年來,隨著量子點(QD)合成的不斷細化和器件制備的發展,QLED的性能有了很大的進步。然而,大多數高性能QLED是通過旋涂(SC)技術制備的,該技術目前僅適用在實驗室中制備小面積器件(<1cm2),此外,旋涂工藝會有超過95%的材料被浪費。噴墨打?。↖JP)技術,作為一種無接觸,集約型的沉積技術被引入光電子制造領域以來,用于柔性和透明顯示的印刷發光二極管的報道越來越多,受到了學術界和工業界的高度關注。

但IJP-QLED與SC- QLED相比,其效率和穩定性較差,阻礙了其在實際顯示面板中的進一步發展。因此,人們在提高印刷器件效率方面進行了許多嘗試,例如通過改變量子點的配體來提高其性能,開發合適的溶劑體系,和新的后處理方式。與SC過程中QD溶液在離心力的作用下擴散不同,墨水在IJP工藝下,會以液滴形式自由鋪展在基材上。而在墨滴干燥過程中,由于毛細作用溶質會聚集在墨滴的邊緣,這導致了表面的嚴重粗糙(咖啡環效應),影響QLED的壽命及效率。因此,IJP器件和SC器件之間仍然存在效率差距,這主要是由于印刷層表面的不理想造成的。

圖1. 噴墨打印工藝及量子點成膜示意圖

此外,溶劑的選擇有限也是阻礙IJP-OLED/QLED發展的主要障礙之一。例如,聚[(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)-alt-(4,4 ' -(N-(4-丁基苯基)(TFB)]層作為一種常見的HTL層,會被傳統墨水嚴重腐蝕。最近的研究提出了一些克服這一問題的策略,包括設計可連接的HTL材料或使用耐腐蝕的HTL材料,如聚(n -乙烯基咔唑)(PVK).然而,與這些HTL材料相比,TFB由于其固有的電穩定性,更適合于使用壽命較長的QLED中的HTL層。因此,雖然通過這些策略提高了IJP-QLED的效率,但設備的使用壽命卻受到了影響,無法滿足行業的要求。因此,設計一種與多種HTL材料兼容的新型油墨系統,對于高效、穩定的IJP-QLED至關重要。

研究內容及成果

基于此,研究團隊指出適用于制備IJP-QLED的QD墨水應滿足以下條件:1)QD具有良好的溶解性;2)良好的印刷性和成膜性;3) 對下層材料無損害?;谝陨先齻€要求,研究團隊設計了一種新型三元QD油墨(TQ-ink)系統,該系統既能抑制咖啡環效應,又不會損傷TFB層。相應地,開創性的使用三級梯度真空后處理(GVP)的方法搭配新的墨水體系,可以進一步提高印刷層的質量。

TQ-ink的設計思路具有普適性,其中包括溶解元,增稠元和調節元。針對QD(CdSe)的主要溶劑通常具有低沸點和低粘度的溶解元,如辛烷(粘度0.51 cP),以及高沸點的調整墨水粘度的增稠元,1-cyclohexyl-ethanol(粘度2.5 cP)。然而,如果只是雙元體系,則蒸發過程會完全離散,即,雖然兩種溶劑同時開始蒸發,但辛烷值的蒸發會迅速完成,之后成為單一溶劑(1-環己基-乙醇)蒸發過程,仍會產生嚴重咖啡環效應,影響薄膜質量。因此,添加另一種中間沸點的調節元(醋酸正丁酯)使兩種組分調和。針對不同的分散顆粒,三元種類和比例可以針對性的調整,但是體系思路是一樣的。

針對這種新型的TQ-ink體系,研究團體受到傳統鋼鐵熱處理工藝的啟發,提出了梯度真空退火(GVP)方式,與之配合。對于GVP系統,開發了一個計算機控制程序來控制連接到真空室的泵(分子泵和機械泵)。通過程序,采用慢速分步壓力控制,使三個油墨組分在腔內先后蒸發,最終在基片上形成無針孔、無凹凸表面的均勻QD層。(中國專利:一種量子點墨水、QLED器件及其制備方法和應用(2021105132030.8))

圖2.(a)TQ-ink墨水對下層友好,(b)不同真空方式對打印形貌的影響,(c)TQ-ink搭配GVP方式成膜機理圖

圖3.IJP-QLED壽命

基于TQ-ink體系和GVP技術,我們在TFB上印刷了一層均勻的QD,其粗糙度小于1nm。墨水體系與TFB層正交;TFB沒有損傷。因此,漏電流大大降低,電荷注入顯著增強,從而使印刷器件具有優異的性能。紅色IJP-QLED的最大亮度為104,679 cd/m2,最大EQE為19.3%,在1000 cd/m2時半亮壽命(T50)高達25,178 h。同時,采用相同TQ-ink系統和GVP方法的綠色和藍色IJP-QLED也表現出了出色的EQE(18.0%和4.4%)和運行穩定性(1000 cd/m2時壽命為20,655 h, 100 cd/m2時壽命為46h)。紅綠藍 IJP-QLED的壽命和效率是迄今為止報道的印刷設備中最高記錄。

相關研究工作得到了科技部國家重點研發計劃項目(2016YFB0401702)國家自然科學基金項目(No. 61674074, No. 61875082, No. 61405089, No. 62005115);廣東省重點區域研發計劃項目(No. 2019B010925001, No. 2019B010924001); 廣東大學先進量子點顯示與照明重點實驗室(No. 2017ksys007),廣東省自然科學基金杰出青年基金資助項目(No. 2017B030306010)的大力支持。

圖4. IJP圖案化QLED器件

未來發展

研究者相信在墨水的調控和成膜后處理方面的進行協同改進,可以將器件的效率和穩定性提高到一個更高的水平,為噴墨打印器件的發展提供了新的思路,也證實了印刷QLED在工業化制備道路上的應用前景,有助于噴墨打印技術在平板顯示產業中的發展。

來源:南方科技大學孫小衛講席教授團隊


 

 


關鍵詞: 噴墨 打印耗材 油墨
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