文 | 煜捷史馆

编辑 | 煜捷史馆

-＜复合材料与矩阵量子＞-

溶液合成的过氧化物纳米晶体由于其优异的性能，包括可调谐的发射波长和窄的全长半宽、高的光致发光量子产率和宽的色域，有望被用于发光应用。

特别是，包晶石NCs可以提供高色彩纯度和高发光效率，这被认为是显示器中非常有前途的特性。

此外，过氧化物材料的低成本和易于解决的可加工性应有望成为具有成本效益的发光二极管（LED）应用。

接下来，煜捷将为你讲述钙钛矿纳米晶复合材料，是如何辅助矩阵量子点实现发光显示的。

虽然包晶石NCs是一种优秀的发光体，但包晶石NCs中的铯离子和卤素离子都是水溶性离子，晶体结构容易被破坏。

因此，CsPbX3包晶石NCs对于水、光处理、热降解或极性溶剂等不稳定的表面特性仍然是一个巨大的挑战。

由于不稳定的封盖配体的解吸，保护壳的消失导致了发光效率的下降。

诸如表面工程、内部掺杂和基体封装等都被用来解决CsPbX3材料的稳定性问题。

到目前为止，绿色和红色包晶石LED的外部量子效率（EQE）已经达到20%以上，蓝色包晶石LED已经达到10%。

尽管包晶石LED表现出优异的性能，但包晶石LED在显示方面的应用却很少。

目前，用于显示应用的LED发光层主要采用有机荧光分子材料或镉系列II-IV量子点（QDs）。

但是，它们在LED显示应用中仍然存在问题，如有机发光层的制备工艺复杂、成本高、色域窄、色纯度低等。II-IV QD发光层的问题是，合成核壳结构的方法复杂，前体材料昂贵。

因此，具有高色域和低毒性的过氧化物酶电致发光QDLED仍需进一步研究。

在此，我们首次提出以CsPbBr3包晶石NC复合材料为基本单元制造8×8包晶石QDLEDs阵列显示屏，以及用廉价的开源Arduino微控制器系统控制显示屏的动态图案。

CsPbBr3包晶石NC复合材料通过添加纯天然材料芦荟胶对NC表面进行改性，并使用超声波振荡器来防止包晶石NC复合材料的聚集，以提高结晶度、窄带PL发射、电荷注入和稳定性。

在制造包晶石QDLEDs阵列显示的过程中，不需要光刻的溶剂，工艺简单，从而避免了包晶石在溶剂中的溶解问题。

在整个制造过程中，包晶石数控复合材料的优异光电性能得以保留。

阵列中的每个发光单元都由交联的电极矩阵单独控制。

通过进一步的优化和Arduino微控制器单元驱动电路的集成，可以实现8×8的包晶石QDLEDs阵列显示的动态信息。

这将促进包晶石LEDs在高分辨率全彩显示领域奠定基础。

-＜方法＞-

A. CsPbBr3过氧化物氮化物复合材料的合成和提纯

CsPbBr3过氧化物氮化物复合材料是通过快速热注射和冰水浴方法合成的。

首先，将1-十八烯（ODE，10毫升）和PbBr2（0.2克）放入50毫升烧瓶中，在140℃下搅拌10分钟。

然后，将油胺（1毫升）和油酸（1毫升）快速注入烧瓶中，并在空气中加热至170℃5分钟。

将由油酸（0.25毫升）在ODE（3毫升）中通过Cs2CO3（0.0814克）和芦荟胶（0.2毫升）反应制成的芦荟胶复合溶液（0.8毫升）迅速注入PbBr2溶液烧瓶中，反应10秒后，将反应溶液浸入冰水浴中迅速淬灭。

为了纯化，在CsPbBr3 NC复合溶液中加入比例为3:1的乙酸乙酯（EA），然后在6000rpm下离心10分钟；

丢弃上清液，将沉淀物加入正己烷/EA（1:3）中，再次在6000rpm下离心10分钟。

最后的沉淀物被分散在正己烷（0.5毫升）中，并在超声波振荡器中摇动10分钟，以使CsPbBr3过氧化物NC复合材料均匀地分散在器件制造中。

B. 器件制造

图1显示了8×8过氧化物酶QDLEDs阵列的制造流程。每个单元的QDLEDs的发光面积为1 mm × 1 mm，间距为0.3 mm。

首先，用紫外线臭氧处理ITO玻璃基片10分钟，以清洁表面。

然后，使用旋涂技术在4000转/分的转速下将聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）薄膜覆盖在基片上60秒，并在空气中120℃下退火20分钟，作为孔注入层。

随后，在一个充满N2的手套箱中，用同样的方法在5000转/分的转速下将Poly(N,N′-bis-4-butylphenyl-N,N′-bisphenyl)benzidine（聚-TPD）（溶于氯苯，（12mg mL-1））溶液沉积在PEDOT:PSS薄膜上，并在120℃下退火10分钟，作为孔的传输层。

然后，将CsPbBr3过氧化物NC复合材料在2000rpm下旋涂60秒，并在80℃下退火5分钟，作为发射层涂在聚-TPD薄膜上。

此外，在大约10-6托的高真空压力下，通过影子掩膜的热蒸发沉积了2,2′,2′′-(1,3,5-苯三基)-三(1-苯基-1-H-苯并咪唑)(TPBi)作为电子传输层和LiF作为电子注入层。

最后，顶部图案化的铝电极（100纳米）通过热蒸发通过图案化的阴影电极掩模连续沉积。

通过仔细排列，顶部和底部电极可以交叉连接所有的包晶石QDLEDs单元，并形成一个具有单独寻址像素的显示阵列。

-＜结果和讨论＞-

图a显示了含有和不含有芦荟凝胶的CsPbBr3过氧化物纳米复合材料的归一化吸收和PL光谱。

CsPbBr3包晶石NC复合材料的PL发射强度明显增强，这可以归因于芦荟/OA配体交换后QDs表面缺陷的减少。

与CsPbBr3过氧化物载体（525 nm/24.47 nm）相比，一个强烈的绿色PL发射峰位于约522.2 nm处，半最大值全宽（FWHM）较窄，为22.39 nm，表明CsPbBr3过氧化物载体复合材料具有良好的质量和高的颜色纯度。

在紫外-可见光谱中，含有和不含芦荟胶的CsPbBr3过氧化物氮化物复合材料分别在512和516纳米处有吸收带。

这个小的斯托克斯位移表明PL发射是由激子对应的重组产生的。

在研究晶体结构时，加入和不加入芦荟胶的CsPbBr3过氧化物NC复合材料的X射线衍射（XRD）图谱在15.2°、21.6°和30.7°处出现了三个衍射峰。

分别归属于立方相的（100）、（110）和（200）晶面（JCPDS No.18-364），表明加入芦荟胶后晶体结构没有被破坏（图b）。

不加芦荟胶的CsPbBr3过氧化物NCs表现出立方过氧化物结构和良好的单分散性（图c）。

薄膜狭窄的PL发射与高度结晶和近乎立方体的NCs密切相关，说明带有芦荟胶的CsPbBr3过氧化物NC复合材料仍然保持立方体结构，平均尺寸为18.5纳米，如图d所示。

值得注意的是，由于加入了芦荟胶，CsPbBr3包晶石NC复合材料溶液的浓度增加，导致包晶石NC复合材料的尺寸明显增大，出现团聚现象。

图2e和2f显示了在基底上带有和不带有芦荟胶的过氧化物复合材料薄膜的扫描电子显微镜图像，表明带有芦荟胶的具有紧凑的薄膜形态和小颗粒尺寸。

而不含芦荟胶的CsPbBr3过氧化物NCs薄膜则有一些微孔，导致薄膜表面不平整。

基于上述的CsPbBr3过氧化物NCs与芦荟胶的复合材料，具有良好的结构质量和光学性能，并将制造出阵列型器件过氧化物。

下图a显示了阵列型器件CsPbBr3过氧化物QDLEDs在单个发光单元的结构示意图（左）和横截面SEM图像（右）。

该装置由以下结构组成，从底部到顶部： ITO/PETOT:PSS (18.3 nm)/poly-TPD (15.8 nm)/CsPbBr3包晶石NC复合材料(~71 nm)/TPBi (40 nm)/LiF (1 nm)/Al (100 nm)。

图b显示了CsPbBr3过氧化物酶QDLEDs的能级图；电子和空穴分别从ITO和Al注入，并在过氧化物酶层中重新结合以发射光子。

图c显示了一个具有8×8个发光单元的包晶石QDLEDs阵列显示器，每个发光单元的尺寸为1毫米×1毫米。

照片显示，QDLEDs阵列显示器在运行中发出明亮的纯绿色光，阵列显示器中的每个发光单元都有非常均匀的发光颜色。

图a显示了电流密度-电压-亮度（J-V-L ）特性。

根据8×8过氧化物酶QDLEDs阵列显示器的总面积计算出电流密度和亮度。

可以清楚地看到，该显示器表现出典型的二极管特性，电流密度随电压呈指数增长。显示器的开启电压被确定为大约8V。

在11.5V时，最大亮度接近3366cd m-2，之后，由于焦耳加热和奥格重组，亮度开始下降。

图b显示了8×8包晶石QDLEDs阵列的EQE-J特性。

过氧化物酶QDLEDs阵列显示器的峰值EQE随着引入芦荟胶配体的电流密度的增加而降低。

当电流密度为1310 mA cm-2时，包晶石QDLEDs阵列显示器达到了0.072%的EQE和最大亮度。

图c和d显示了8×8包晶石QDLEDs阵列显示器的光谱。

包晶石QDLEDs阵列显示器的EL光谱曲线在520nm处呈现一个尖锐的发射峰，其FWHM为21.98nm，这与吸收带边缘的PL光谱相似，表明在带边缘存在直接重组（图c）。

同时，当电压从8V到11.5V时，EL光谱没有峰值移动，表明添加了芦荟胶的CsPbBr3复合发射层的包晶石QDLEDs阵列显示的颜色纯度稳定（图d）。

窄而稳定的EL光谱可以实现高显色能力。图e中绘制了恒定电压10V下的稳定性测试结果。

随着测量时间的增加，过氧化物酶QDLEDs阵列显示器的亮度逐渐下降。

在168小时内，亮度下降相对缓慢，亮度下降了约22.32%。直到这个阶段，显示器已经开始退化了。

240小时后，它衰减到初始值的一半，其稳定性开始受到环境和热降解因素的影响。

在这项研究中，优点是在制造过氧化物酶QDLEDs阵列显示器的过程中，不需要光刻溶剂，工艺简单；

因为整个过程采用旋涂法，没有单片隔离步骤，这可能导致QDLEDs阵列显示器的开启电压和漏电流较高的因素之一。

另一方面，由于漏电流的产生，包晶石QDLEDs阵列显示器的一些单芯片在动态图案显示中会发出轻微的亮光。

针对上述缺点，未来将重新设计图案化的ITO玻璃基板，并引入黑色矩阵抗蚀剂来抑制漏电流，预计将适用于大面积、高分辨率的包晶石QDLEDs阵列显示。

显示驱动电路模块由一个Arduino Nano微控制器单元、一个Arduino Nano扩展板、一个LM2596电源模块、一个LM2596S降压模块和四个L298N电机驱动模块组成，如上图所示。

从电源输入12 V到降压模块和四个电机驱动器。降压模块输出5 V给Arduino Nano和电机驱动模块，而降压模块输出12 V给电机驱动模块。

当电机驱动模块收到Arduino Nano信号、高电压和低电压时，它就会启动。二极管用杜邦公司的跳线串联起来，以避免电流反向流动。

然后，将它们连接到矩阵式QDLEDs显示屏的8个正极引脚和8个负极引脚，并编写动态行人标志图案编程语言，成功显示和控制动态行人标志图案。

-＜结论＞-

我们用CsPbBr3包晶石NC复合材料与纯天然材料芦荟胶制造包晶石QDLEDs，然后制作了明亮的8×8包晶石QDLEDs阵列显示器。

该过氧化物酶QDLEDs阵列显示器由Arduino微控制器输入信号和电机驱动模块控制，成功显示了EL动态行人标志图案。

此外，包晶石QDLEDs阵列显示器的最大亮度为3366cd m-2，表现出非常好的均匀性。

我们的工作证实了所提出的策略是一种可行和可靠的方法，可以进一步扩展到蓝色和绿色的过氧化物酶QDLEDs阵列显示，并支持过氧化物酶LEDs在全彩显示中的潜力。