導讀
盡管量子點發光二極管（QLEDs）如今得到了廣泛研究，但其電荷傳輸機制仍然是一個持續爭論的課題。本文系統地研究了藍光量子點的溫度、電場、載流子濃度依賴的空穴傳輸特性，提出了量子點薄膜中的本征電荷傳輸機制為跳躍（hopping）傳輸，證明了量子點薄膜的空穴傳輸表現為無陷阱的空間電荷限制電流，并發展了利用擴展高斯無序模型來描述量子點空穴電流隨電壓和溫度變化的新方法。這些結論有望用于進一步定量分析QLEDs器件性能和老化機制。
01
為了提高藍光QLEDs的穩定性，深入了解其背后的老化機制至關重要，而準確理解并描述量子點薄膜的電荷傳輸特性，是量化QLEDs的老化過程的前提。然而，量子點薄膜的電荷傳輸過程受到各種復雜因素的影響，使得直接分析其電荷傳輸機制變得異常復雜。
為了更好的研究量子點薄膜中的電荷傳輸機制，本文通過制備單載流子器件，系統研究量子點薄膜中的電荷傳輸及其影響因素。首先，本文對量子點薄膜空穴傳輸的電壓依賴特性進行表征。研究發現，在低電壓下，空穴電流與電壓的二次方成正比，且空穴電流與薄膜厚度的三次方呈負相關，如圖1所示。這種現象是空間電荷限制電流（SCLC）的特征，滿足以下公式：
（1）
根據公式（1）可以得到室溫條件下空穴遷移率為4.4 × 10?11 m2 V?1s?1。
圖1：a) 單空穴器件的電流密度 J 與電壓 V 的關系，量子點薄膜厚度（L）為110 nm。實線表示基于遷移率 μ(0) = 4.4 × 10?11 m2 V?1 s?1 計算得出的空間電荷限制電流（SCLC）；b) 不同厚度的單空穴器件的 JL3–V 曲線。
當電荷傳輸受到淺陷阱影響時，陷阱限制電流與電壓及薄膜厚度的依賴關系與SCLC一致，此時通過公式（1）得到的遷移率為有效遷移率，并非本征遷移率。為了驗證量子點薄膜內電荷傳輸是否受到淺陷阱的影響，我們通過瞬態響應電致發光測試（TEL）測量了空穴在量子點薄膜內的瞬態遷移率。研究發現，TEL測得的瞬態遷移率與電場的平方根成線性關系，證明了量子點薄膜的空穴傳輸具有電場依賴性（圖2）。此外，TEL測試得到的瞬態空穴遷移率與SCLC公式得到的空穴遷移率一致，進一步證明了量子點薄膜的空穴傳輸不受陷阱的影響，其遷移率為本征遷移率。
圖2：根據瞬態響應電致發光測試得到的空穴遷移率與電場的0.5次方的關系
進一步，本文還研究了量子點薄膜內空穴傳輸的溫度依賴性，并得到了不同溫度下電流密度-電壓（J-V）特性，如圖3所示。研究發現空穴遷移率隨著溫度的降低而顯著下降，且其溫度依賴性符合阿倫尼烏斯公式，如下所示（圖4）：
（2）
根據公式（2）可得到空穴傳輸的活化能（）為0.30 eV。強溫度依賴性的空穴傳輸特性表明，在無序量子點體系中，電荷通過跳躍（hopping）在分散的局域態之間傳輸。這一傳輸機制是由于量子點體系的無序性，包括組成成分、尺寸、形狀、點間距的不統一，以及量子點表面的配體和懸掛鍵等因素所導致的局域態形成與能量無序。
圖3：不同溫度下的空穴電流密度 ( J ) 與電壓 ( V ) 的關系。實線是根據擴展高斯無序模型（EGDM）擬合的結果。
結合上述研究提出的電荷傳輸機制及遷移率的溫度、電場依賴特性，本文利用擴展高斯無序模型（EGDM）模擬了全電壓范圍內的J-V特性，準確描述了量子點薄膜中空穴傳輸的電場、溫度及載流子濃度依賴特性，并提取了量子點薄膜的無序度（σ=0.12 eV）、跳躍距離（hopping distance=2.8 nm）等關鍵參數。這項研究將加深們對藍光QLED器件運行機制的理解，為量化QLED器件內的輻射復合速率、非輻射復合速率、效率耗損提供了堅實的基礎，有助于進一步量化分析電致老化過程，明晰其老化機制，為提升QLED穩定性鋪平了道路。
圖4：零場遷移率與溫度的阿倫尼烏斯曲線
02
牛泉，華南理工大學教授，博導，國家海外高層次人才計劃入選者，長期從事新型半導體光電材料與器件基本物理機制研究，包括電荷傳輸與復合機制，陷阱機制，器件穩定性機理與高穩定性薄膜發光顯示器件的產業化實現等。擔任發光材料與器件國家重點實驗室新型半導體材料與器件物理課題組組長，教育部先進材料國際合作聯合實驗室副主任，德國馬普所高分子研究所客座研究員，入選廣東省“珠江人才計劃”引進創新創業團隊，主持多項國家級和省部級科研基金項目。
課題組面向我國信息顯示技術領域重大戰略需求，圍繞長期以來我國處于跟跑階段的新一代信息顯示技術關鍵材料與器件，開展溶液加工薄膜顯示穩定性機理與效率耗損機制的研究，取得了一系列創新性研究成果。提出并證實了聚合物發光二極管的本征老化機理，設計了第一塊具有高穩定性的聚合物發光二極管原型器件，解決了20多年以來困擾學術界與工業界的聚合物發光二極管老化穩定性問題，為下一代低成本、大尺寸制備薄膜顯示的實現提供了重要依據。近年來，牛泉教授以第一作者/通訊作者身份在 Nature Materials、Physical Review Letters、Advanced Electronic Materials等高水平學術期刊上發表多篇論文,獲授權發明專利 15 項，其中美國專利 5 項。在有機發光二極管的穩定性方面的研究被德國頂級光電期刊Photonik評論為高穩定性溶液制備薄膜顯示的奠基性工作。獲國家特聘專家，并被國際顯示信息協會授予“未來顯示之星青年領袖”獎項。多次受邀在國際顯示技術會議、中國材料大會、美國材料研究學會 MRS 會議等知名學術會議上作特邀報告與短期課程。
李淑信，華南理工大學，博士生。研究方向：無序半導體的空穴和電子傳輸機制。
林雯欣，華南理工大學，博士生。研究方向：量子點發光二極管器件電荷傳輸與穩定性研究。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400142
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