基于蓝光量子点的发光器件的研究现状综述

基于蓝光量子点的发光器件的研究现状综述

丁丽莎 王羽平

江苏大学 江苏镇江 212003

摘要：量子点是一类纳米级低维半导体材料的总称,这种材料具有激发波长范围宽、发射的光波长可连续调控以及荧光发射峰窄且对称等突出优势，因此量子点也被大多数科研人员认为是新一代最具有潜力的荧光粉材料。由于量子点具有这些特殊的优点，所以导致量子点可以广泛地应用于发光二极管、医学成像和量子计算以及太阳能电池等众多重要的领域。而在这之中，蓝光量子点及其发光器件的研究对白光照明和全色域显示都有着十分重要的意义。

关键词：量子点；蓝光量子点；发光器件

1.引言

随着我国科学创新技术的不断稳定健康发展，我国大多数人民对生活环境的舒适度等方面的要求越来越高，其中与生活环境息息相关的便是照明，白光发光二极管在照明领域有着重要的应用。然而一般常见的有机二极管也有很多不足之处，因为普通二极管所用的质料为有机物，不但生产成本高，而且受水氧影响较大，这些因素的存在都导致了发光器件的稳定性很差；又由于现存的大部分发光质料都存在色纯度不高，很难显示出鲜艳的色彩等显著的不足，所以致使人们也在探求新的发光材料来满足人们越来越高的生活工作等日常需求。

30年前,科学家在培育纳米晶的半导体溶液中发现了量子约束效应，比如常见的一种胶体量子点。在量子点中，由于电子和空穴的波函数在空间上的尺寸远远小于本体材料的激子玻尔半径，所以将会导致能级的量子化，量子点的离散能级产生了窄线宽的原子类发射，这就使得研究人员可以通过调节粒子的大小来调节发光的波长，其发光波长的范围很大，足以满足紫外光、可见光和近红外光波段等波长^[1]。相比于普通有机发光二极管，量子点有其本身特有的优势：首先可以在不改变器件构造的条件下通过调整粒子的直径来改变发光波长，这种方法使得发光器件的制备更简单；其次，是溶液法加工，不像普通有机发光二极管那样必须使用热蒸镀制备，量子点发光器件制备的材料利用率很高，同时成本较低；最后，量子点本身是一种无机半导体材料，这种无机半导体材料相对于有机材料，不容易受水氧侵蚀，这就是量子点发光器件性能更稳定，寿命更长的原因所在。

2.量子点发光器件的国内外研究情况

1994年，Colvin^[2]课题组第一次将PPV这种有机聚合物和CdSe量子点这两者结合在一起，用于制备结构为ITO/PPV/CdSe/Mg的一种电致发光器件。然而，由于这种电致发光器件中的电子和空穴注入量不平衡，导致的后果就是量子点的发光效率很低，器件的外量子点效率仅仅只达到0.01%。

由于上述实验的发光效率很低，应用价值不高，所以在1997年的时候，Schlamp^[3]课题组在Colvin课题组实验的基础上，用CdSe/CdS量子点替代掉CdSe量子点，制备了同Colvin课题组具有很相似结构的量子点发光器件，这种新型发光器件的最大亮度可以成功地达到600cd/m²,外量子效率也比之前提高了很多，可以达到0.22%,与Colvin课题组没有任何修饰的纯核结构CdSe量子点发光器件相比，其性能有了明显地提高。

2002年，Coe^[4]课题组在普通有机发光二极管构造的基础上,通过把结构为CdSe/ZnS的单层量子点插入到TPD和Alq₃界面之间，成功制备了一种新型的有机发光二极管。对照之前试验研究中量子既作发光层又作电子传输层的发光器件结构而言，这种新型构造的有机发光二极管把电子传输层和发光层区别开来。采用这种措施，可以在很大程度上减少因为注入电子过多而引起的荧光淬灭，这种情况下空穴和电子就能够成功地通过传输层直接注入到量子点层，可以使发光器件的外量子效率达到0.52%,最大亮度可提高到2000cd/m²。

2004年，Zhao课题组成功采用了一种结构为PEDOT:PSS的水溶性溶液来对阳极表面进行修饰,以此来提高阳极的功函数^[5]。然后把具有核壳结构的量子点CdSe/ZnS分散于空穴传输层TPD中。该课题组利用以上这种方法所制备出来的发光器件具有比以往方法所制备的器件较高的电致发光强度。到2006年时，Zhao^[6]课题组又一次对之前的器件结构进行了更深层次的研究。他们首先把一种构造为PS-TPD-PFCB的热交联的耐溶剂作为空穴传输层，然后采用旋涂的方法将构造为CdSe/CdS的核壳量子点单层旋涂在空穴传输层的表面。通过上述这种改进的方法制备出来的量子点发光器件的最大亮度可以达到1000cd/m²。

2009年，Cho^[7]课题组研究了将TFB结构作为空穴传输层，TiO₂这种金属氧化物作为电子传输层的实验组合结构，从而成功制备了一种新型的量子点发光器件。这种类型的量子点发光器件通过对量子点层进行热退火处理，从而在很大程度上降低了空穴传输层和量子点层之间存在的界面势垒，进一步增加了空穴的注入。Cho课题组研究的这种发光器件具有比较低的开启电压，其最大发光亮度也比之前的器件提高了很多，可以达到12380cd/m

²。

到2013年的时候，Mashford^[8]课题组成功发现了在倒置有机发光二极管结构中，量子点层和相邻的ZnO电子传输层之间存在着电耦合作用。这种量子点层和电子传输层之间存在的电耦合作用可以在一定程度上促进电子的注入，平衡量子点层的电荷。通过Mashford课题组的这种方法制备的发光器件，其亮度效率可达到19cd/A,最大外量子效率高达18%。

2014年,浙江大学彭笑刚^[9]课题组通过加入绝缘层PMMA来调节空穴和电子的注入，实现了外量子效率20.4%的红光量子点发光器件的制备，这是一个接近于理论效率的器件，是目前为止最高外量子的效率的量子点发光器件。

2015年，钱磊课题组^[10]实现了红绿蓝三种颜色器件的外量子效率都超过了10%,并且是用同一种器件实现的结果，这为以后量子点发光器件的制备奠定了坚实的基石。

3.基于蓝光量子点的发光器件的研究进展

相对于红光和绿光量子点发光二极管（QLED）,蓝光QLED的发展相对较慢，2007年谭占鳌^[11]等人报道了蓝光QLED器件，器件结构为ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/blue QDs/Al,发光峰位在460 nm,开启电压值是2.5V，亮度达到1600cd/m²，电流效率为0.506cd/A,然而,在EL光谱中,有一个非常小的410nm的峰位,来源于空穴传输层poly-TPD。虽然光谱不纯，但是报道的高亮度对于蓝光QLED的发展有着重要的意义。

2011年，钱磊^[12]等人报道了利用ZnO纳米颗粒作电子传输层的橘红色，绿色，蓝色的QLED器件，其中蓝光QLED的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/blueQDs/ZnO NPs/Al，纯的EL光谱峰位为470nm，器件的开启电压值是2.4V，最大亮度为4200cd/m²，最大外量子效率为0.22%，最大电流效率为0.32 cd/A，得益于ZnO的高电子迁移率和匹配的导带能级，蓝光QLED的亮度和效率都有着显著地提升，另外，ZnO纳米颗粒可直接使用溶液法制备，方便高效，所以ZnO电子传输材料开始被大量使用在 QLED 器件中。

2013年，Ki-Heon Lee^[13]等人合成了高量子产率的CdZnS/ZnS 合金量子点，量子产率高达98%，以此制备的器件的器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PVK/blue QDs/ZnO NPs/Al，器件的最大亮度为2624cd/m²，最大外量子产率为7.1%。

此后，蓝光QLED的效率也开始逐渐提高，例如，2017年，王丽双^[14]等人通过优化ZnO纳米颗粒的尺寸以达到更好地电荷平衡，获得了更高的器件效率，器件结构为 ITO/PEDOT:PSS/PVK/blue QDs/ZnO NPs/Al,发光峰位在468 nm，最大亮度为4980cd/m²最大外量子产率为19.8%,接近QLED的极限效率。

2018年，ouyang Wang^[15]等人合成了厚中间壳层（Cd_xZn_1-xS）的ZnCdS/Cd_xZn_1-xS/ZnS合金量子点,量子产率高达96%,以此量子点制备的器件效率达 18%,其器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PVK/blue QDs/ZnO/Al。

另外蓝光QLED的稳定性也有足够的提升，2017年申怀彬^[16]等人报道的蓝光QLED的工作寿命T₇₀为47h,初始亮度L₀=420cd/m²,器件结构为ITO/PEDOT:PSS/TFB/blue QDs/ZnO/Al。到2019年时，其报道的蓝光QLED的工作寿命T₅₀就达到了7000 h^[17]，初始亮度为100cd/m²。虽然这个结果与量产的标准还有很大的差距,但无疑这也是推动蓝光QLED器件寿命提升的重要一步。

4.结语

量子点材料由于其具有很多发光性能方面的优势，使得其非常适用于发光显示领域，因此常称量子点为下一代发光显示方面的材料。本文回顾了量子点和蓝光量子点发光器件的国内外发展现状，可见传统的量子点发光器件的制备技术无论是材料还是器件发面都已经比较成熟了,在实验室阶段已经发展的很好了。

总的来说，蓝光量子点发光二极管发展的时间虽然比较短，但是其发展速度较快，无论是合成高质量的蓝光量子点，还是制备高效稳定的蓝光QLED器件，这些发面都有着很大的进步，但是蓝光QLED的稳定性，即其工作时长一直是制约QLED发展的重要原因，而其稳定性又主要是受空穴传输材料和电子传输材料的限制，所以要想提高蓝光量子点发光二极管的稳定性，解决这两个问题是关键。

5.参考文献

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作者简介：

丁丽莎，女，生于1997年11月，汉族，贵州省毕节市人，江苏大学，光电信息科学与工程系

【基金项目】本文系江苏大学2019年度大学生实践创新训练计划项目，项目编号：201910299702X