英文原题：Probe the Operation of Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Using Electrically Pumped Transient Absorption Spectroscopy
通讯作者：金盛烨，大连化物所；吴博宁，大连化物所；田文明，大连化物所；常帅，深圳北理莫斯科大学
作者： Xianchang Yan (闫宪昌), Cuili Chen (陈翠丽), Boning Wu (吴博宁), Fengke Sun (孙逢柯), Hui Bao (鲍辉), Wenming Tian (田文明), Shuai Chang (常帅), Haizheng Zhong (钟海政), Shengye Jin (金盛烨)
英文原题：Elucidating the Impact of Electron Accumulation in Quantum-Dot Light-Emitting Diodes
通讯作者：金盛烨，大连化物所；吴博宁，大连化物所；田文明，大连化物所；常帅，深圳北理莫斯科大学
作者：Xianchang Yan (闫宪昌), Boning Wu (吴博宁), Cuili Chen (陈翠丽), Fengke Sun (孙逢柯), Hui Bao (鲍辉), Shuai Chang (常帅), Haizheng Zhong (钟海政), Shengye Jin (金盛烨), Wenming Tian (田文明)
背景介绍
量子点发光二极管（QLED）作为新一代照明显示技术，具有发光窄、色域广等特点，具有广阔的应用前景。通常情况下，QLED运行中电子的注入快于空穴，导致过量的电子在量子点（QD）中积累。虽然目前普遍研究认为电子积累对器件外量子效率（EQE）有不利的影响，然而由于缺乏QLED中电子积累的表征方法，QD中电子积累对器件性能的影响机制尚不明确。为了解决这一问题，团队建立了电致瞬态吸收（E-TA）的方法用于检测QLED运行过程中的电子浓度及动力学过程，并利用这一技术阐述了不同类型的QLED器件中电子积累与器件效率的关系。
文章亮点
近日，中国科学院大连化物所金盛烨研究员、田文明研究员团队在JPC Letters与Nano Letters上发表文章，工作通过自主搭建的E-TA光谱实现了对QLED中电子浓度及动力学过程探测，揭示了QLED中电子积累对于器件EQE的影响机制。E-TA技术使用1kHz的脉冲电压（脉宽10μs）激发QLED样品，使用2kHz的白光作为探测光，分别记录有泵浦电压和没有泵浦电压下QLED的吸收光谱，从而得到外加电压引起的QLED中QD层的吸收光谱变化（ΔA）。通过改变探测白光与脉冲电压之间的时间间隔，可以实现对ΔA的动力学探测（分辨率~1ns）。
图1. 电致瞬态吸收（E-TA）光谱系统示意图以及探测原理
通过光谱分解，可以将E-TA光谱ΔA分解为电子填充QD导带引起的漂白信号，以及QD层两侧电场变化导致的Stark信号。漂白信号与QD层中电子浓度（平均每个QD上电子数，定义为Ne）成正比，能够反映器件运行过程中的电子浓度变化，揭示了电子注入以及达到动态平衡的时间常数。此外，与瞬态电致发光（EL）技术结合，实现了QLED运行过程中电子和空穴的动力学过程的独立解析。此外，Stark信号反映了器件运行中QD层所受的电场变化，并能获得器件的平带电压等参数。
图2. 电压4V，脉宽10μs脉冲电压激发下QLED E-TA光谱及动力学
基于E-TA光谱，团队探究了QLED中Ne与器件效率的关系。由于制备过程中旋涂和蒸镀过程中会引入缺陷，导致同一类QLED中EQE与Ne均会有所差异。图3展示了两个制备原料与工艺相同的QLED，其Ne有着明显差别。基于此，文中统计了QDs荧光量子效率（PLQY）为95%的高效绿光QLED、QDs PLQY为55%的蓝光和绿光QLED、以及QDs PLQY为70%的红光QLED四种器件在固定电压下Ne与EQE的相关性（图4）。结果表明QD中积累的电子对于器件EQE同时存在正向作用与反向作用。其中反向作用是由于电子积累导致电子泄露到空穴传输层（HTL）以及俄歇复合的概率增加，从而导致器件EQE降低；正向作用是由于QD中存在着引起非辐射复合的缺陷会捕获电子，QD中积累的电子越多，注入的空穴与被缺陷捕获的电子发生非辐射复合的占比越小，发生辐射复合的概率越大，从而导致器件EQE更高。因此，在缺陷较少的高PLQY QD制备的高效器件中，电子积累对于EQE的反向作用占主导，EQE与Ne呈负相关；在缺陷较多，PLQY较低的QD制备的器件中，电子积累对于EQE的正向作用占主导，EQE与Ne呈正相关。
图3. 两个采用相同原料及制备方法的QLED器件的E-TA光谱，以及其光谱分解结果。两个器件中电子点漂泊信号强度差异明显，代表其电子浓度具有显著差异
图4. 四种QLED中电子浓度Ne与EQE的关系；电子积累对于QLED效率反向作用以及正向作用示意图
总结/展望
本研究建立了E-TA光谱技术，实现了对QLED中电子浓度及动力学过程探测，揭示了QLED中电子、空穴注入以及电场变化的动力学过程。此外，工作阐述了QLED中电子积累对器件性能的双重影响机制，分别为由电子泄露以及俄歇复合导致的反向作用，以及减少非辐射复合占比所导致的正向作用。对于低效率的量子点，累积电子带来的正向作用高于反向作用。而对于高效率的量子点，反向作用则占主导地位。这些发现为累积电子如何影响QLED性能提供了新的见解，并有望为未来高效QLED的制备和优化策略提供指导。
通讯作者信息：
金盛烨 研究员
中国科学院大连化学物理研究所研究员，致力于利用和发展超快时间分辨光谱技术和动力学成像新方法研究分子、半导体材料和复合材料中光诱导界面电荷分离、能量转移和光催化反应动力学过程。担任ultrfast science 青年编委，担任中国化学会化学动力学委员会委员，担任时间分辨光谱学术委员会委员。
吴博宁 研究员
中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。主要研究领域为用超快光谱和理论模拟方法研究化学动力学，以及电子转移动力学，以及新型超快光谱技术的开发。
田文明 研究员
中国科学院大连化学物理研究所研究员，博导。研究方向为利用自主构建的荧光扫描动力学成像技术解析光电转化材料中的光诱导动力学过程，同时结合电致发光成像、光电流成像以及电泵浦瞬态吸收技术解析太阳能电池和电致发光等器件在实际应用过程中的电荷注入以及复合等动力学过程，建立微纳空间动力学参数与器件性能的构效关系。
常帅 教授
深圳北理莫斯科大学材料科学系教授、博导。主要从事低维纳米光电材料与器件，以及电致发光器件的工作与失效机制研究。
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J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 33, 8593–8599
Publication Date: August 14, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c02127
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Nano Lett. 2024, ASAP
Publication Date: October 10, 2024
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The Journal of Physical Chemistry Letters 致力于报道物理化学家、生物物理化学家、化学物理学家、物理学家、材料科学家和工程师感兴趣的新的和原创的实验和理论基础研究。
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