サイクル温度に関する検討

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12713 (2023) この記事を引用

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量子ドット発光ダイオード (QLED) の好気的および熱的安定性は、過酷な環境条件下でのこれらのデバイスの実用化にとって重要な要素です。私たちは、外部量子効率 (EQE) が 14% を超え、効率ロールオフ (ドループ) がほぼ無視でき、ピーク輝度が 600,000 cd/m2 を超え、大気条件下で製造された QLED としては前例のない、全溶液プロセスの琥珀色 QLED を実証します。。 5 段階の冷却/加熱サイクルで、-10 ～ 85 °C の温度範囲でデバイスの効率と輝度レベルを調査します。屋外照明用途に必要な 10,000 cd/m2 を超える輝度レベルで実験を実施しました。当社のデバイス性能は、性能パラメータの標準偏差が最小限である熱安定性を証明しています。興味深いことに、デバイス効率パラメータは室温に戻ると初期値に回復します。性能の変動は、電荷輸送特性の変更と、さまざまな温度で誘発される放射/非放射励起子緩和ダイナミクスと相関しています。このテーマに関するこれまでの研究を補完するものとして、今回の研究は、好気性安定した超高輝度ドループフリー QLED の実現の潜在的な実現可能性に光を当て、固体照明用途のさらなる研究を促進すると期待されている。

量子ドット発光ダイオード (QLED) は、その卓越した光電子特性により、学界と産業界の両方から多大な注目を集めており、さまざまな電子デバイスに適しています 1、2、3、4、5、6、7。たとえば、QLED の外部量子効率 (EQE)8、9、10、11、輝度レベル 12、13、動作寿命 14、15、16、17 は現在、商用ディスプレイの基準に達しています 18。一方で、よく設計された段階的マルチシェル構成を備えた発光コロイド量子ドット (QD) を利用すると、高輝度レベルでの QLED の EQE ロールオフ (ドループ) が無視できる程度である 19 ため、屋外照明、投影などへの応用が可能になる可能性があります。ディスプレイ、および光線療法19、20、21。しかし、動作安定性、保存安定性、効率ロールオフ、信頼性の高い高輝度などの問題により、固体照明システムに適した QLED はまだ商品化には程遠いです21。

その意味で、過酷な環境条件（極端な温度と高湿度レベルなど）下で効率を維持しながら高輝度レベルでの熱安定性が屋外 LED 照明システムの重要な要素となります。高湿度レベル (例: 85 RH) での酸素や水分に対するデバイスの保護は、高度な薄膜カプセル化方法を採用することで確実に行うことができます22。しかし、LED システムの熱安定性は、機能的な電荷輸送における固有の電荷輸送特性と修正された電荷輸送特性の両方に依存します。層23、および発光層（EML）内の励起子緩和ダイナミクス。有機 LED (OLED)24、25、26、ペロブスカイト LED27、28、および QLED29、30、31 の温度依存性エレクトロルミネッセンス (EL) 性能に関するいくつかの研究がこれまでに発表されています。現在の研究の焦点として、例えば、M. Zhang et al. らは、120 ～ 300 K の温度範囲内で赤色 QLED のフォトルミネッセンス (PL) と EL 性能の両方を調査しましたが、室温 (RT) より高い温度では実験を実行しませんでした 31。著者らは、温度が氷点下の温度から室温まで上昇すると、電流密度が増加し、ターンオン電圧が低下することを報告しました。 J. Yun らによる研究では、著者らは 100 ～ 400 K での逆コロイド状 Cd ベース QLED の電流密度対電圧 (JV) 挙動を調査しましたが、効率パラメーターについては報告していません 29。ビスワスら。らは、コロイド状 CuInS ベースの黄色 QLED の EQE と電流効率 (LE) を改善するための熱支援法を実装しました 30。これらの著者は、ZnO 電子輸送層 (ETL) のスパッタリング中に基板温度を上昇させることにより、デバイスの電荷注入が改善され、効率の向上につながることを観察しました。最近、スーら。 QLEDで典型的に観察されるアップコンバージョンEL（つまり、サブバンドギャップターンオンEL）の根本原因は、デバイスを広い温度範囲にさらすことによる熱補助電荷注入によるものであると提案しました。しかし、これらの著者らは狭い電圧範囲（ターンオン電圧付近）内で実験を実行し、高輝度レベルでの温度依存性を調査していないようです32。さらに、外部の極端な温度にさらされていなくても、デバイスに高電流が流れるため、高輝度レベルでの QLED の動作温度は通常 RT を超え、ジュール発熱が発生することに注意する必要があります 13,33,34。したがって、超高輝度 QLED の長期的な動作安定性には、適切な熱管理が不可欠です。さらに、デバイスの性能に対する温度、電界、および正の経年変化の影響が以前に研究されました。 QLED デバイスの場合、その場での界面反応により電荷漏れが減少し、デバイス効率が向上します。さらに、QLED で酸化物 ETL を使用した電場印加によって実現される抵抗スイッチングは、酸素欠損の移動と導電性フィラメントの形成を引き起こし、QLED の正の老化を誘発します 23。ただし、高電界は QLED 材料の摩耗と劣化を促進し、デバイスの性能と寿命に影響を与える可能性があります。同様に、温度の上昇は QLED の効率、安定性、寿命に影響を及ぼし、消費電力の増加、材料の劣化、輝度の低下、デバイスの故障の可能性を引き起こす可能性があります。温度と電場を高くすると、キャリアの輸送と輝度が向上する可能性がありますが、デバイスの動作寿命が短くなる可能性があります。 C. Leeらによる研究では、アニーリング温度を200℃まで上昇させると、正孔注入が強化され、QLEDの性能が向上することが判明した。しかし、さらに温度が上昇すると、正孔注入の劣化と電子注入率の増加により効率が低下し、電荷の蓄積につながりました35。 Z. Chen らは、QLED デバイスの性能と寿命に対する HTL とプラスの経年変化の影響を調査しました 36。乾燥剤を使用すると、QLED の正孔輸送層 (HTL) の安定性が向上し、ポジティブエイジングが抑制されました。逆に、乾燥剤を使用しないデバイスはより早く劣化しましたが、良好な経年劣化を示しました。これは、正の老化と HTL の安定性の間のトレードオフを示しています。全体として、QLED のポジティブエージングは、界面反応、抵抗スイッチング、制御された動作条件によって達成できますが、高温や電場はデバイスの性能や動作寿命に悪影響を与える可能性があります。

20,000 cd/cm2 at 5 V. Temperature-dependent EL studies have not been reported at such a high brightness level in literature. Figure 4a shows the J-V plots of the QLED at various temperatures. When the device is first cooled down to − 10°C from RT1, the current density declines, but when it equilibrates back to RT2, the current density retrieves almost to its initial value at RT1. In contrast, the current density values of the device shows that the charge transport properties are reinforced at the elevated temperature of 85°C. Owing to thermally-assisted charge injection at elevated temperatures28, the turn-on voltage (Von) reduces from 2.1 V at RT to 1.8 V at 85 °C. The Von was also higher (2.3 V) at − 10°C, due to a reverse effect. In addition to thermally-assisted charge injection, given that the efficiency parameters drop slightly and considering that the brightness increases substantially at 85°C (Fig. 4b), the dramatically increased current density may also be correlated with increased leakage current within the voltage range in our experiments. Specifically, even though the current density at RT3 is lower than that at 85°C, it is still higher compared to its initial value at RT1. Given that the efficiency parameters do not completely return to the values at RT2, this may be due to any plausible minimal physical damage (due to the leakage current) occurring to the polymer HTL in the device structure. Such a physical damage at the HTL/QDs interface has been reported to be one of the main reasons for QLED degradations at high brightness/current density levels49. Another reason could be the thermal fluctuations in the thermal pad and the slight deviation of the temperature from RT2. Nevertheless, in our case, the likely damage to the HTL does not seem to be severe because the efficiency parameters return almost to their initial values at RT after the cooling/heating cycles, indicating thermal stability of the devices within the temperature range. Table 1 summarizes the QLED performance parameters operated in a thermal cycle./p> 98.5%), trimethylammonium chloride (TMACl, > 98%), potassium hydroxide (KOH, 99.99%), dimethyl sulfoxide (DMSO, > 99.9%) magnesium acetate tetrahydrate (99%), zinc acetate dihydrate (> 98%), lithium acetate (99.95%) and 1-butanol (anhydrous, 99.8%) were purchased from Sigma-Aldrich. Zinc acetate anhydrous (+ 99.9%) and ethyl acetate (> 99.5%, ACS certified) were purchased from Thermoscientific. Selenium (Se, 99.999%, metals basis) and oleic acid (90%, technical grade) were purchased from Alfa-Aesar. Octane (+ 99%, extra pure) was purchased from Acros Organics. All the reagents were used as received. Poly(ethylene dioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) was purchased from Ossila. Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4’-(N-(p-butylphenyl)) diphenylamine)] (TFB) was purchased from American Dye Source. Polyvinylpyrrolidone (PVP10) with an average molecular weight of 10,000 was purchased from Sigma-Aldrich. Patterned ITO-glass substrates with 15 Ω resistance and 25.4 mm × 25.4 mm × 0.7 mm were purchased from Luminescence Technology Corp./p>

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