量子点(quantum dots,QDs)是一种尺寸介于1~10 nm的准零维纳米材料,自从被发现以来,由于具有发射光波长可调谐、色纯度高、稳定性高,激发光谱宽等优异的光电性质[1-2],成为光电、生物、能源等多领域的研究热点。
在众多量子点材料中,Cd族量子点发展最为成熟,以其作为发光材料制备的QLED器件性能已经达到显示应用的商业要求[3-4],但其固有的重金属毒性限制了大规模的应用和发展。与之相比,In P QDs由于无毒且发光性能好,成为替代Cd族量子点的主要选择。近几年,以In P作为发光层制备的QLED也取得了很大的性能提升,红光QLED的外量子效率(external quantum efficiency,EQE)达到了22.56%[5],但绿光和蓝光分别只有16.3%[6]和2.8%[7],仍然有较大改进空间。
1 In P量子点
In P QDs作为一种无毒量子点,被业界认为是可以有效替代Cd族和含铅钙钛矿量子点的潜力军,其波尔半径大约为10 nm,通过尺寸调谐发射波长可以覆盖整个可见光范围。目前In P QDs主要通过油相溶胶-凝胶法制备,因其对水氧较为敏感,所以需在惰性气体保护下进行[8]。由于P源的高反应活性,在成核阶段一般保持在相对较低温度,但对于均匀紧密的壳层生长阶段,则需要在低反应物浓度和高反应温度下进行[9]。近些年,In P QDs的性能得到很大的提升,在光电、生物等领域表现出较大应用潜力。
2 量子点发光二极管(QLED)
2.1 QLED的结构
QLED的器件结构与OLED相似,主要区别在于其发光层是量子点材料。目前主流的结构见图1,包括正式(conventional)结构和反式(inverted)结构,两者的区别在于氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)在当中的角色是阳极还是阴极。在当前的研究进展中,正式结构表现出了更高的效率;反式结构的应用相对较晚,效率相对较低,但这种结构更易于直接与薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)结合应用于显示器件,而且氧化物电子传输层(electron transport layer,ETL)在制备过程中率先进行退火,不影响后续膜层的制备。
图1 QLED器件的典型结构
2.2 QLED的发光原理
量子点作为发光材料,其发光方式有两种:光致发光和电致发光。前者中主要是量子点通过被光激发产生电子空穴对,退激发辐射复合发光;后者中电子和空穴通过电注入产生,并在有源区发生辐射复合发光。QLED是一种电致发光器件,其发光原理是空穴和电子分别通过阳极和阴极,经空穴传输层和电子传输层到达发光层。在之前的研究中,学者们普遍采用半导体材料电致发光原理,认为当在QLED中注入的电子和空穴在材料中距离足够近时,就可以依靠库伦作用力结合形成激子。但是最近的研究[10]表明,在QLED中激子的产生经历了“基态—负电中间态—激子态”的过程,见图2。在该过程中由于电子传输性能更优异,导致量子点可以率先获得电子成为负电中间态。负电态一方面抑制了电子的进一步注入,另一方面给本来注入效率相对较低的空穴提供了注入动力。
图2 QLED的发光原理[10]
文章引用
[1]崔忠杰,梅时良,郭睿倩.InP量子点发光二极管研究进展[J].光源与照明,2022,(S1):118-122+128.
InP量子点因其发光性能优异和无毒的优势,替代Cd族和含铅钙钛矿量子点成为量子点发光二极管(quantum dot light emitting diode,QLED)发光材料的主要选择。近几年,InP QLED器件发展迅速,红、绿和蓝光器件效率分别达到了22.56%、16.3%和2.8%,但相比于Cd族量子点仍有较大的研究空间。文章从不同基色InP QLED中发光层优化研究、InP QLED中载流子传输层研究两方面总结了InP QLED的研究进展,内容主要集中于发光层材料的优化和界面层的选择,其性能的进一步提升仍需着眼于材料和结构的双重研究。
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