Исследование циклической температуры

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 12713 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Аэробная и термическая стабильность светодиодов с квантовыми точками (QLED) является важным фактором для практического применения этих устройств в суровых условиях окружающей среды. Мы демонстрируем Янтарные QLED, полностью обработанные раствором, с внешней квантовой эффективностью (EQE) > 14% с практически незначительным спадом эффективности и пиковой яркостью > 600 000 кд/м2, что беспрецедентно для QLED, изготовленных в условиях окружающего воздуха. . Мы исследовали эффективность и уровень яркости устройства в диапазоне температур от −10 до 85 °C в 5-ступенчатом цикле охлаждения/нагрева. Мы проводили эксперименты при уровнях яркости выше 10 000 кд/м2, необходимых для наружного освещения. Производительность нашего устройства подтверждает термическую стабильность с минимальным стандартным отклонением рабочих параметров. Интересно, что при возвращении к комнатной температуре параметры эффективности устройства возвращаются к исходным значениям. Изменения характеристик коррелируют с модификацией характеристик переноса заряда и динамикой индуцированной радиационной/безызлучательной релаксации экситонов при различных температурах. Ожидается, что настоящая работа, дополняющая предыдущие исследования по этому вопросу, прольет свет на потенциальную возможность реализации аэробно-стабильных сверхярких QLED без падения яркости и будет стимулировать дальнейшие исследования в области твердотельных осветительных приборов.

Светодиоды с квантовыми точками (QLED) привлекли значительное внимание как в научных кругах, так и в промышленности благодаря своим исключительным оптоэлектронным свойствам, что делает их пригодными для различных электронных устройств1,2,3,4,5,6,7. Например, внешняя квантовая эффективность (EQE)8,9,10,11, уровень яркости12,13 и срок службы14,15,16,17 QLED теперь достигли стандартов для коммерческих дисплеев18. С другой стороны, использование преимуществ люминесцентных коллоидных квантовых точек (КТ) с хорошо спроектированными градуированными многооболочечными конфигурациями, незначительное спад EQE (спад) QLED на высоких уровнях яркости19 может позволить использовать их в наружном освещении, проекции дисплеи и фототерапия19,20,21. Однако из-за таких проблем, как эксплуатационная стабильность, стабильность при хранении и снижение эффективности, надежная высокая яркость, QLED, подходящие для твердотельных систем освещения, все еще далеки от коммерциализации21.

В этом контексте термическая стабильность при высоких уровнях яркости с сохранением эффективности в суровых условиях окружающей среды (т. е. при экстремальных температурах и высоком уровне влажности) является ключевым фактором для систем наружного светодиодного освещения. Защита устройства от кислорода и влаги при высоких уровнях влажности (например, 85 RH) может быть обеспечена с помощью передовых методов инкапсуляции тонкими пленками22, но термическая стабильность светодиодной системы зависит как от собственных, так и от модифицированных характеристик переноса заряда при функциональном переносе заряда. слоев23, а также динамику релаксации экситонов в эмиссионном слое (ЭМС). Ранее было опубликовано несколько исследований характеристик электролюминесценции (ЭЛ) органических светодиодов (OLED) в зависимости от температуры24,25,26, перовскитных светодиодов27,28 и QLED29,30,31. В фокусе настоящей работы, например, M. Zhang et al. исследовали характеристики фотолюминесценции (ФЛ) и ЭЛ своих красных QLED в диапазоне температур 120–300 К, но не проводили эксперименты при температурах выше комнатной температуры (RT)31. Авторы сообщили об увеличении плотности тока и снижении напряжения включения при повышении температуры до RT от минусовой температуры. В исследовании Дж. Юна и др. авторы исследовали зависимость плотности тока от напряжения (JV) своих инвертированных коллоидных QLED на основе Cd при 100–400 К, но не сообщили о параметрах эффективности29. Бисвас и др. внедрили метод с использованием тепла для улучшения EQE и эффективности по току (LE) своих желтых QLED на основе коллоидного CuInS30. Эти авторы заметили, что при увеличении температуры подложки во время распыления слоя транспорта электронов (ETL) ZnO улучшалась инжекция заряда их устройств, что приводило к повышению эффективности. Недавно Сью и др. предположил, что основная причина ЭЛ с повышающим преобразованием (т. е. ЭЛ включения в субзонной зоне), обычно наблюдаемая в QLED, связана с инжекцией заряда с термической поддержкой в ​​результате воздействия на их устройства широкого температурного диапазона. Однако эти авторы проводили свои эксперименты в небольшом диапазоне напряжений (около напряжения включения) и, по-видимому, не исследовали температурную зависимость при высоких уровнях яркости32. Кроме того, следует отметить, что даже без воздействия внешних экстремальных температур рабочая температура QLED при высоких уровнях яркости обычно превышает RT из-за высокого тока, проходящего через устройство, вызывающего джоулев нагрев13,33,34. Поэтому правильное управление температурным режимом имеет решающее значение для долгосрочной стабильности работы сверхярких QLED. Более того, ранее изучалось влияние температуры, электрического поля и положительного старения на производительность устройства. В случае с устройствами QLED межфазные реакции на месте могут повысить эффективность устройства за счет уменьшения утечки заряда. Кроме того, резистивное переключение, достигаемое за счет приложения электрического поля с использованием оксидной ЭТЛ в QLED, приводит к движению кислородных вакансий и образованию проводящих нитей, что вызывает положительное старение в QLED23. Однако сильные электрические поля могут ускорить износ и деградацию материалов QLED, что потенциально влияет на производительность и срок службы устройства. Аналогичным образом, повышенные температуры могут повлиять на эффективность, стабильность и срок службы QLED, что приведет к увеличению энергопотребления, деградации материалов, снижению яркости и потенциальному выходу устройства из строя. Хотя более высокие температуры и электрические поля могут улучшить транспортировку носителей и яркость, они могут сократить срок службы устройства. В исследовании К. Ли и др. было обнаружено, что повышение температуры отжига до 200 ° C улучшает характеристики QLED за счет инъекции усиленных отверстий. Однако дальнейшее повышение температуры привело к снижению эффективности из-за ухудшения инжекции дырок и увеличения скорости инжекции электронов, что привело к накоплению заряда35. З. Чен и др. исследовали влияние HTL и позитивного старения на производительность и срок службы устройства QLED36. Использование осушителя улучшило стабильность слоя транспорта дырок (HTL) в QLED, подавляя положительное старение. И наоборот, устройства без осушителя деградировали быстрее, но демонстрировали положительное старение. Это указывает на компромисс между положительным старением и стабильностью HTL. В целом, положительное старение QLED может быть достигнуто за счет межфазных реакций, резистивного переключения и контролируемых условий эксплуатации, в то время как высокие температуры и электрические поля потенциально могут оказать пагубное влияние на производительность устройства и срок его службы.