塗佈型量子點電激發光(QDEL)元件技術：材料世界網

謝孟婷、吳信忠、謝添壽 / 工研院材化所

量子點電致發光(QDEL)元件被視為在有機發光二極體(OLED)之後下一代理想的顯示器，隨著材料與元件結構上的重要研究進展，其性能表現正在接近有機發光二極體。無毒、環境友善量子點材料、優化元件結構、電荷傳輸材料最佳化、透明電極導入和溶液加工生產製造技術提升，是目前QDEL元件之研究方向。工研院材化所開發QDEL元件之相關材料與塗佈製程，技術重點在作為電子傳輸層材料之ZnO粒子及低鎘量子點材料之合成，藉由不同前驅物比例及合成時間，控制粒徑大小和晶體結晶度，改變能階以配合各功能層之能階結構，達到最佳元件效率。

【內文精選】

塗佈型量子點電致發光元件材料技術

量子點電致發光元件之結構有正結構和倒置結構兩種，本文討論之元件結構為正結構，用塗佈製程即可完成整體元件，不需真空沉積製程。元件結構包含：電洞注入層(Hole Injection Layer; HIL)、電洞傳輸層(Hole Transport Layer; HTL)、量子點層(Quantum Dot Layer; QDL)、電子傳輸層(Electron Transport Layer; ETL)及金屬電極。

1. 電洞傳輸層

目前在QDEL元件中，有機電洞傳輸材料的遷移率比量子點或無機電子傳輸材料要慢很多，導致元件中電荷不平衡，使效率降低。而從電洞傳輸層到QD之電洞注入的能障相當高。與常用之有機材料(≈-5.5 eV)相比，鎘系量子點有更深的最高占據分子軌道(HOMO)能階(大約-6 eV~-7 eV)。

最常被使用的電洞傳輸層材料有Poly(9,9-dioctylfluorene-alt-N-(4-s-butylphenyl)-diphenylamine) (TFB)、Poly(N,N′-bis(4-butylphenyl)-N,N′-bis(phenyl)benzidine (Poly-TPD)及Poly(9-vinylcarbazole) (PVK)。在Shiyun Lei等人的研究中，以此三種材料進行電洞注入機制研究，如圖三所示，證明施加的偏壓會顯著降低HTL的最高占據分子軌道能階與QD之價帶(VB)之間的能障高度，有利於電洞注入。其中，TFB由於其高遷移率(≈10-3 cm²/V·s)而成為QDEL元件中最受歡迎的電洞傳輸材料；而PVK的電洞遷移率較低，多以摻雜導電小分子或多層結構(PVK/Poly-TPD)來克服，並降低驅動電壓。

圖三、電壓對於PVK/QD界面能階之影響及HTL/QD界面電荷注入機制

Poly{(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-[9-(2-ethylhexyl)-carbazole-3,6-diyl]} (PF8Cz)具有剛性骨架和有限共軛的電洞傳輸材料，與TFB相比，可以誘導有序的分子堆積和局部電子分布。

2. 量子點(Quantum Dot)

近年的發展過程中，高性能QDEL始終無法避免含有重金屬Cd或Pb元素，與目前對友善生態環境的目標不符合，也使量子點材料應用受到限制。因此需要進一步研究基於無毒和優越元件效能的新QD和其QDEL元件。

3. 電子傳輸層材料

金屬氧化物粒子材料作為電子傳輸層(ETL)材料，是提升QDEL元件效率之重要因素。氧化鋅(ZnO)，氧化鈦(TiO₂)，二氧化錫(SnO₂)，是廣為研究之材料，尤其是ZnO和ZnMgO奈米粒子，是QDEL最常被採用的ETL材料。ZnO和ZnMgO奈米粒子因為晶體結構而有高電子遷移率，大幅減少了電子跳躍障礙。此外，還具有寬能隙，在可見光譜區域有高透明度，也吻合量子點能階的傳導帶最小值(Conduction Band Minimum; CBM)。

圖九、InP-based QDEL元件結構及效率

4. 透明量子點電致發光元件

透明顯示器的應用相當廣泛，可結合在車窗上，整合駕駛所需要的資訊；商品顯示於同一面，可作為展示櫥窗的智慧窗；應用於抬頭顯示器，顯示訊息的同時也可提供外部視圖以觀察到外部環境變化，替生活帶來許多樂趣與便利。

一般常用之透明導電氧化物材料取代原本之金屬電極，作為上電極時雖可達到透明的效果，但因透明導電氧化物薄膜沈積時，容易導致下方的QDEL結構發生效能退化，因此無法採用此方法。雖然目前市面上也有很多透明電極材料，如奈米碳管(Carbon Nanotubes)、石墨烯(Graphene)、導電高分子以及金屬奈米線等，但金屬電極的低電阻，確保足夠的導電性，仍然是最佳的選擇。為兼具高穿透率、低電阻以及柔性這些特性，介電層/金屬/介電層(DMD)結構已受到重視，利用金屬薄膜上下之高折射率介電層，減少因金屬膜相消干涉引起的反射來提升穿透率。

工研院材化所QDEL元件技術發展

工研院主要開發之QDEL元件分為正結構與倒置結構兩種。正結構元件為綠光與紅光元件，如圖十四所示；元件效率如表一所示。可依據各功能層材料進行元件結構調整，以達到最佳元件效率。倒置元件目前僅紅光元件，亮度於7 V時可大於25,000 cd/m²，啟動電壓(Turn on Voltage) = 2 V。