OLED的有機物發光層存在各功能層有機材料及金屬電極易受空氣中水氧的影響、外加電壓的變化導致器件發光色漂移、驅動電壓的增大引發的工作電流增大從而使器件發熱明顯、發光色純度低等問題，器件整體上效率和穩定性需要最佳化。
引言
對於柔性顯視器件，頂部發光的結構是理想的選擇，因為頂發射提升了顯視器的開口率—光線能透過的有效區域比例，並且可以在不透明或者柔性的基底上制備。但是由於量子點的發光峰非常窄，OLED 中角度色移問題可以忽略不計，並且量子點的微腔效應以及反射鏡和腔體長度方面有待完善，所以 QLEDs器件很少采用頂部發光結構。
QLEDs 的結構通常有三種，如圖1（a）為底部出光結構，在電致發光器件中最為常見；如圖1（b）為頂部出光結構，通常套用於柔性顯示中；如圖1（c）為倒置結構，和非晶矽薄膜晶體管表現出良好的相容性。
圖1 （a）底部出光結構；（b）頂部出光結構及（c）倒置結構
頂部發光的器件啟亮電壓較高，並且由於相鄰的有機層之間存在表面缺陷態，非輻射復合會加劇，器件在可行的亮度區域中器件效率低並且容易老化。文章中采用的器件結構是底部發光結構，在制備有氧化銦錫（ITO）圖案的透明玻璃基板上先後塗覆電洞註入層（HIL）、電洞傳輸層（HTL）、發光層（EML）、電子傳輸層（ETL），最後在頂部蒸鍍反射率高且功函數低的鋁電極。由於多層的電洞傳輸層制備相對容易，並且該結構中電子傳輸層在量子點發光層的上方，可以減少有機溶劑對量子點膜的侵蝕，從而更容易制備效率高且器件穩定性好的器件。並且采用底部發光的器件結構易於封裝，可以進一步隔絕水氧對器件的影響。因為在 QLEDs中量子點屬於電子型材料，電子註入的速率較高，所以會導致器件的電子註入的數量略大於電洞，從而成為影響器件壽命和效率的重要因素之一。為了對載流子註入進行調控，我們可以改變量子點的電學性質、增加電洞或者減少電荷的有效註入。
表征方法
為了對器件的優劣進行評判，並且研究實驗變量對器件光電效能的影響，需要對器件進行表征。主要表征的參數有發光光譜，亮度-電壓-電流特性，發光效率等。
（1）光譜的測量
光譜是表征發光器件物質結構最重要的手段之一，透過分析光譜可以得到光與器件中包含物質之間相互作用的現象和並且得到器件運作的相關規律。當一束照射光在特定材料內傳播時，出現指數式衰減，把該指數稱為材料的吸收系數。吸收光譜是指在這一特定材料中不同照射光的吸收系數會隨著波長變化而變化，呈現帶狀或者現狀，可以用來表征該材料的化學性質。
（2）電流-電壓-亮度特性曲線測量
對於電壓驅動的發光器件，電流電壓曲線是表征器件電氣特性的重要參數。在實驗中，透過向器件不斷輸入大量電壓，直至使電子可以克服陽極勢壘，電洞克服陰極勢壘，從而在發光層復合獲得電子—電洞對而發光，因此可以用電流-電壓-亮度曲線來表征器件的光電效能。器件亮度達到最低工作電壓時，即 1 cd/m2 所對應的工作電壓，定義為啟亮電壓。
（3）發光效率測試
器件的發光效率有三種表征方法：外量子效率、功率效率以及電流效率。因為器件中存在多個界面並且陽極為 ITO 玻璃基板，因此在器件內，光的折射、反射以及吸收等過程會導致其一定程度的損耗，因此內量子效率往往高於外量子效率。二者的運算式為：
公式中 ηe 為耦合出光率，ηr 為載流子復合效率，χ 為激子輻射效率，Kr 為光輻射速率，Knr 為非光輻射速率。PE 和 LE 的引入，可以用來衡量器件功耗。二者的運算式為：
PE 和 LE 的換算關系式為：
其中 J 為電流密度，I 為電流強度，A 為器件面積。器件如果有較高的 LE，說明在一定電流密度能夠發出的亮度更高，對電流的利用率也更高。
（4）器件壽命測試
器件表征還有一個關鍵的參數是器件的壽命，體現了器件在執行環境中的穩定性。電致發光器件的壽命一直是制約其商業化發展的關鍵因素。
電子傳輸層對器件穩定性的影響
由於目前的 QLEDs 器件在電子傳輸層材料的選擇上面臨著低穩定性的有機材料以及註入效率低的無機材料的難點，所以我們對電子傳輸層進行研究，希望透過選擇合適的電子傳輸層提升量子點電致發光器件的載流子註入平衡，並且進一步提升器件的發光效率以及在恒電流下的器件壽命。
3.1實驗
目前的電致發光發光器件大多采用全溶液法制備，相比於蒸鍍可以大幅降低制作的成本。實驗上利用圖4 （a）的器件結構ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ETL/Al，其能階結構如圖4 （b）所示。
圖4 （a） QLEDs 器件結構；（b） 能階結構
實驗中用到的陽極材料使用 N 型半導體氧化銦錫，其具有良好的導電性。除了可見光外，近紅外光在 ITO 薄膜上的透過率也比較高，其原因是 ITO 的帶隙較寬，並且透過改變材料成分，可以保證透過的光盡可能地接近初始光的顏色。除此以外，ITO 薄膜還具備良好的刻蝕均勻性以及適宜的表面形態，因此可以用制備做透明電極，非常適合底部出光的器件結構。
圖5 ITO 襯底示意圖
由於制備工藝以及生產運輸中的保護措施，襯底上會有殘余的光刻膠、粉塵或者其他的有機材料，這會影響 ITO 的導電和透光特性，同時也會影響電洞註入層材料的成膜，因此需要對基板及陽極進行深度清潔。
器件膜層的方法根據反應介質的狀態包含氣相法和液相法兩種。實驗室中鋁陰極采用真空熱蒸發鍍膜，載流子註入層、傳輸層以及量子點發光層均采用旋塗法制備。不同的溶劑需要不同的旋塗和退火環境。在實驗中所使用的電洞註入層材料為聚 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS），它是一種水溶液，所以適合在通風櫥中旋塗和退火。緊接著是電洞傳輸層、量子點發光層以及電子傳輸層，由於這些材料所用均為易揮發的有機溶劑，這三種材料的光電性質容易受到水氧的影響，因此需要在手套箱裏的氮氣環境中旋塗。如果電子傳輸層材料選擇 ZnO前驅液，則需要在手套箱中旋塗以後在通風櫥中退火，使前驅液氧化成膜。膜層旋塗的厚度以及所用的退火溫度也不一樣，膜層厚度計算和測量需要透過台階儀來實作，實際操作中可以透過對旋塗的轉速以及移液槍溶液取用量進行控制厚度。
圖7 玻璃襯底 ITO 形狀圖及器件發光點位置
對於量子點電致發光的器件，在電壓驅動的工作狀態下容易受到水氧熱的影響，因此需要用蓋玻片進行封裝。為了徹底隔絕水氧，且減少由於封裝膠引起發光點的差異，實驗中將蓋玻片整個塗抹薄薄一層具有不飽和雙鍵或環氧基等基團的紫外固化環氧樹脂，然後按壓在器件的發光點上。封裝示意如圖8 所示。
圖8 器件封裝流程示意圖
3.2結果與討論
本文的研究重點透過對電子傳輸層的調控實作電子和電洞註入的相對平衡。由於 n 型金屬氧化物的功函數低，例如 ZnO，TiO2，ZrO2 等材料，將其作為電子傳輸層可以實作有效的電子註入。因為替代了 QLEDs 器件中的有機材料，器件的效率和壽命均實作明顯的提升。ZnO 納米顆粒可以透過低電子註入勢壘、高遷移率以及寬禁帶的電洞阻隔作用實作高載流子註入效率。但是 ZnO 納米顆粒的載流子遷移率比普通的有機電洞傳輸層材料高了兩個數量級。與電洞註入層中的情況不同，電子的註入以及傳輸必須在電子傳輸層得到延遲才可以滿足載流子註入平衡的需求。
圖9 不同電子傳輸層材料的能階示意圖
對於 ZnO 前驅液，在空氣中耐高溫的效能更優良，整體生長能力以及適用於傳統的化學技術、等離子刻蝕技術等優點，將其作為電子傳輸層時的電子遷移率以及能階已經透過退火溫度、濃度進行了調節。有研究表明使用 Al、Ga、In 等Ⅲ族元素摻雜，透過產生更多的自由電子可以提升電子傳輸層的電導率以並增加禁頻寬度。ZnO 與 MgO 的合成物可產生寬禁帶纖鋅礦半導體，形成非中心對稱的原子排列結構，是目前商業套用中套用較多的電子傳輸層材料。透過使用不同的電子傳輸層材料，得到如圖10 所示實驗結果。
圖10 基於不同電子傳輸層材料器件光電效能對比
使用 ZnMgO 做電子傳輸層的 QLEDs 最大亮度可以達到158549 cd/m2，最大外量子效率 11.2%；ZnO 前驅液制備的器件最大亮度為 32623cd/m2，最大外量子效率 18.4%，但是存在較為嚴重的效率滾降現象，器件穩定性較差；利用 ZnO 納米顆粒制備器件的最大亮度為 5132 cd/m2，最大外量子效率僅有 1.13%，效能較差。
由於用於比較的器件只改變了電子傳輸層的材料，因此電洞註入的數量基本相同。對於使用 ZnO 前驅液的器件，雖然器件的最大外量子效率較大，但是器件的電流密度較低，說明使用該器件載流子註入效果存在問題，更容易使激子猝滅。相比之下，ZnMgO 的亮度更高，且器件穩定性更好，適合套用於電子傳輸層材料。采用的電子傳輸層材料 ZnMgO，透過改變旋塗的轉速以及溶液的用量從而對ETL 的厚度進行改變，進而調控電子從陰極註入的情況。
圖11 電子傳輸層采用 ZnMgO 的器件的表征結果
結果如圖11 所示，透過比較器件的光電參數，可以看出使用 ZnMgO 作電子傳輸層材料的器件當中，ZnMgO 厚度為 45 nm 的器件其最大發光亮度為 266670 cd/m2，最大外量子效率可達到 14%，封裝並對其進行恒電流老化之後壽命可以達到 13.9 小時。QLEDs 歸一化的發光光譜如 4-11 （c）所示，對稱發光峰對應波長為 638 nm，半峰寬為 24 nm，顏色飽和度高。適合套用於顯視器件當中。
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