Self-assembled molecules as efficient selective contacts in translucent quantum-dot light emitting diodes

Abstract

[eng] Since the last two decades, nanotechnology has been revolutionary for representing small solutions to the big problems. Nanoscience and Nanotechnology spread from the area of Electronics, Energy and Environment to Biomedicine, Food or Textile where it has made possible to selectively target the cells to repair the damaged genes. It has also made possible to convert more sunlight into energy with efficient solar panels. Nanostructured materials make faster and more efficient microchips. It also contributes to make biosensors to detect pollutants in bodies. Today, nanomaterials have made possible to fabricate the LEDs of different colours. Colloidal quantum dots technology has drawn a huge attention in the academia and industry since last decade. Quantum dots are also called “Artificial Atoms” because they have discrete energy levels just like atoms. QDs are zero dimensional particles showing quantum confinement effect which means that their size comparable to Bohr radius and their colour can change with their size which is typically between 2-10 nm. On the other hand, these materials show excellent optical properties including high absorption, strong and narrow emission with high colour purity making them suitable for various applications. Perovskites are crystalline materials with the structure of calcium titanium oxide. They are extensively used for several applications because of their easy manufacturing process, abundance, low cost, and great flexibility. Metal halide perovskites are popular for their vast range of application in optoelectronic devices while metal oxide perovskites are widely used in chemical, electrochemical and photocatalysis. Self-assembled molecules (SAMs) are a class of materials which can attach to any substrate modifying the work function of the electrode for their diverse application. They consist of three components including terminal group, spacer group and anchoring group. SAMs are used to make organic and perovskite solar cells with better efficiency and stability. Nowadays, their application in perovskite LEDs have also emerged. Light emitting diodes (LEDs) works on the principle of electroluminescence. When a forward bias is applied to the device between the anode and cathode, the electrons flows towards the cathode and the holes towards anode. Majority charge carriers from the corresponding layers flows towards the emissive layer (if they can cross the barriers) by making the emissive layer negatively charged. Direct band gap semiconductors lead to the energy difference as the electron recombines to the holes by radiative recombination leading to the generation of photons. By the annihilation of an electron and hole, one photon generates. The band gap and chemical structure of the emissive material determines the color of the electroluminescence which is released from the device. The present thesis is focused on the synthesis of perovskite nanocrystals and their application in perovskite nanocrystal LEDs (PeLEDs) and the preparation of QDLEDs based on cadmium selenide QDs. We have used SAMs as hole transporting layer in PeLEDs which is a good alternative to the conventional hole transport materials (HTMs). SAM are good for the overall performance of devices including luminance and stability but also promotes thin sized LEDs. With this regard, we have also employed a thin layer of PDINO as electron transport material (ETM) for fabricating red QDLEDs in combination with commercial CdSe@ZnS quantum dots as emissive material. Finally, we have performed doping of a rare-earth element Dysprosium (Dy) in the methylammonium bromide (MAPbBr3) Perovskite lattice at different concentration to find the optimum for our LEDs.

[cat] Durant les dues últimes dècades, la nanotecnologia ha estat revolucionària per representar una petita solució als grans problemes. La nanociència i la nanotecnologia es van estendre des de l'àrea d'electrònica, energia i medi ambient fins a la biomedicina, l'alimentació i el tèxtil on ha permès dirigir selectivament les cèl·lules per reparar els gens danyats. També ha permès convertir més llum solar en energia amb plaques solars eficients. Els materials nanoestructurats fan que els microxips siguin més ràpids i eficients. També contribueix a fabricar biosensors per detectar contaminants en els cossos. Avui dia, els nanomaterials han permès fabricar els LED de diferents colors. La tecnologia de punts quàntics col·loidals ha cridat una gran atenció al món acadèmic i a la indústria des de la dècada passada. Els punts quàntics (QDs), també anomenats "àtoms artificials", tenen nivells d'energia discrets igual que els àtoms. Els QD són partícules de zero dimensions que mostren un efecte de confinament quàntic, cosa que significa que la seva mida és comparable al radi de Bohr i el seu color pot canviar amb la seva mida, que normalment està entre 2 i 10 nm. D'altra banda, aquests materials tenen unes excel·lents propietats òptiques, com ara una alta absorció, emissió forta i estreta amb una gran puresa de color que els fa aptes per a diverses aplicacions. Les perovskites són materials cristal·lins amb l'estructura d'òxid de calci de titani. S'utilitzen àmpliament per a diverses aplicacions a causa del seu procés de fabricació fàcil, abundància, menor cost i gran flexibilitat. Les perovskites d'halogenur metàl·lic són populars per la seva àmplia gamma d'aplicacions en dispositius optoelectrònics, mentre que les perovskites d'òxid metàl·lic s'utilitzen àmpliament en química, electroquímica i fotocatàlisi. Les molècules auto assemblades (SAMs) són una classe de materials que poden unir se a qualsevol substrat modificant la funció de treball de l'elèctrode permetent diverses aplicacions. Consten de tres components que inclouen el grup terminal, el grup espaiador i el grup d'ancoratge. Els SAM s'utilitzen per fabricar cèl·lules solars orgàniques i perovskites amb una millor eficiència i estabilitat. Actualment també ha sorgit la seva aplicació en LED de perovskita. Els díodes emissors de llum (LED) funcionen segons el principi de l'electroluminescència. Quan s'aplica una polarització directa al dispositiu entre l'ànode i el càtode, els electrons flueixen cap al càtode i els forats cap a l'ànode. Els portadors de càrrega majoritaris de les capes corresponents flueixen cap a la capa emissiva (si poden creuar les barreres) fent que la capa emissiva es carregui negativament. Els semiconductors directes de banda buida condueixen a la diferència d'energia a mesura que l'electró es recombina als forats per recombinació radiativa que condueix a la generació de fotons. Per l'aniquilació d'un electró i un forat, es genera un fotó. La bretxa de banda i l'estructura química del material emissiu determinen el color de l'electroluminescència que s'allibera del dispositiu. La present tesi se centra en la síntesi de nanocristalls de perovskita i la seva aplicació en PeLEDs i en la preparació de QDLEDs basats en QDs de seleniür de cadmi. Hem utilitzat SAMs com a capa de transportadora de buits en LED de nanocristall de perovskita, com a alternativa als transportadors de buits convencionals en PeLED. Els SAM són bons per al rendiment general dels dispositius, inclosa la luminància i l'estabilitat, però també promouen LEDs de mida fina. En aquest sentit, també hem emprat una fina capa de PDINO com a material transportador d’electrons per fabricar QDLED vermells, utilitzant punts quàntics comercials CdSe@ZnS com a material emissiu. Finalment, hem realitzat el dopatge d'un element de terres rares Disprosi (Dy) a la xarxa de perovskita de bromur de metilamoni (MAPbBr3) a diferents concentracions per trobar l'òptim per als nostres LED.