锂掺杂ZnO纳米颗粒提升倒置结构磷光有机发光器件效率的研究

本研究针对倒置有机发光器件(OLEDs)中电荷平衡难题，创新性地采用Li掺杂ZnO纳米颗粒作为电子注入层。通过调控Li浓度(0%、10%、15%)，成功将粒子尺寸从4.1 nm降至3.3 nm，优化了能带结构和载流子传输特性。最终实现的15% Li掺杂器件获得18.2%的外量子效率(EQE)，为无额外中间层的倒置磷光OLEDs提供了高效解决方案。

　　

在显示技术领域，倒置结构有机发光器件(inverted OLEDs)因其采用空气稳定的氧化铟锡(ITO)阴极和更优的环境稳定性，逐渐成为替代传统结构的热门选择。然而这类器件始终面临着一个关键瓶颈——电子与空穴的电荷平衡问题。常规解决方案是在ZnO电子传输层上引入额外中间层，但这会增加工艺复杂度。更棘手的是，溶液法制备ZnO纳米颗粒层时，有机溶剂极易损伤下层有机材料，这就像在脆弱的蛋糕胚上直接浇灌热巧克力酱，必然导致结构崩塌。

针对这些挑战，韩国顺天乡大学的研究团队在《Synthetic Metals》发表了一项突破性研究。他们另辟蹊径，通过锂(Li)掺杂ZnO纳米颗粒的本征改性，成功实现了无需中间层的高效倒置磷光OLEDs。这项研究犹如为电子传输层安装了"分子级调速器"，通过精确调控纳米颗粒的尺寸和能带结构，从根本上优化了电荷平衡机制。

研究团队采用溶液沉淀法合成了六方纤锌矿结构的Li掺杂ZnO纳米颗粒，通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)证实，Li的引入有效抑制了颗粒生长——未掺杂样品粒径为4.1 nm，而10%和15% Li掺杂样品分别减小至3.7 nm和3.3 nm。这种尺寸效应带来显著的能带调控：紫外可见光谱显示，随着Li掺杂浓度增加，光吸收边发生蓝移，带隙从3.28 eV扩大至3.34 eV；同步辐射光电子能谱则证实导带底(CBM)从-3.72 eV提升至-3.68 eV，更匹配相邻电子传输层的能级。

在器件性能方面，15% Li掺杂样品展现出最优异的综合表现：原子力显微镜(AFM)显示其表面粗糙度仅为0.51 nm，电流密度-电压特性曲线揭示导电率提升两个数量级。这些优势最终转化为18.2%的峰值EQE，较未掺杂器件提高近40%。值得注意的是，这种效率提升并非通过传统的光提取增强技术实现，而是源于Li掺杂诱导的"三位一体"优化：更小的粒径增加电子隧穿概率、更高的导带位置改善电子注入、更匹配的能级促进电荷平衡。

【关键技术方法】
研究采用溶液沉淀法合成Li掺杂ZnO纳米颗粒，以锌 acetate 二水合物和LiCl为前驱体，TMAH为沉淀剂。通过XRD、TEM、AFM表征晶体结构和形貌，紫外-可见光谱和同步辐射光电子能谱测定能带结构，制备的倒置磷光OLEDs结构为ITO/Li-ZnO/有机功能层/MoO₃
/Al。

【研究结果】

1. Synthesis of Li doped ZnO nanoparticles
   通过调控LiCl浓度(0-15%)成功制备系列样品，DMSO溶剂体系确保前驱体充分溶解，TMAH控制沉淀过程。

2. Results and discussion
   XRD证实所有样品保持六方纤锌矿结构，Li掺杂引起晶格收缩。PL光谱显示可见光区缺陷发光随掺杂增加而减弱，表明Li有效钝化氧空位。

3. Conclusion
   15% Li掺杂器件实现18.2% EQE，归因于：① 粒径减小增强电子注入；② 导带位置上移改善能级匹配；③ 表面缺陷减少降低非辐射复合。

这项研究的创新价值在于：首次系统揭示了Li掺杂浓度与ZnO纳米颗粒尺寸、能带结构的定量关系，建立了"掺杂-结构-性能"的明确构效关系。相比传统中间层策略，这种本征改性方案更具工艺兼容性和成本优势，为开发高效稳定的倒置OLEDs提供了新范式。特别是研究中发现的Li掺杂诱导导带移动现象，为后续能带工程研究提供了重要参考。未来通过优化掺杂元素和浓度梯度设计，有望进一步突破倒置器件的效率极限。