CN102185059A - 一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，包括衬底、阳极层、无机量子点功能层和阴极层并依次组成堆叠结构，所述无机量子点功能层的构成包括：1）发光层、2）缓冲层和发光层或3）缓冲层、发光层和电子传输层，其中发光层和电子传输层为非化学质量比的无机量子点材料；其制备方法是，用匀胶机在清洗后透明衬底的阳极层上，制备无机功能层量子点亚微米薄膜，再用真空热蒸发法制备阴极层。本发明的优点是：该无机量子点电致发光器件可以通过正反双向偏压来实现器件的显示，其发光层是通过旋涂或印刷工艺制备，简化了制作工艺，降低了制备成本；该发光器件为直流电压驱动，功耗低；该发光器件采用无机纳米材料制备，稳定性好、工作寿命长。

Description

一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件及制备方法

技术领域

本发明涉及电子半导体元器件技术领域，特别涉及一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件及制备方法。

背景技术

随着信息技术的发展，人们对显示技术的要求也越来越高。无机量子点/有机复合发光器件将有机薄膜电致发光器件和量子点结合起来，能够实现稳定、高效的发光显示器件。无机量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。由于量子尺寸效应，使其具有连续分布且宽的激发光谱，而且发射光谱单色性好，以及颜色可调等特性。无机量子点不仅生产工艺简单，而且产成本低廉，易于规模化生产。例如应用最多的CdSe，只采用该材料的无机量子点制成器件，就可以获得在可见光范围内连续可调的、窄谱带的高效发光。因此，无机量子点电致发光器件的研究作为迅速发展中的新学科.由于具有独特的发光特性而使其具有极其广阔的发展前景。

传统电致发光器件的堆叠结构在直流电源激发下具有单向导电的功能，但是在反向偏压的情况下电致发光不明显。

本发明制备的无机量子点电致发光器件，选用非化学质量比的量子点材料作为其功能层，在正向与反向偏压的情况下，可以通过高电场下正向注入和反向离化之后与空穴复合产生发光。

此外，本发明应用共沉积方法制备的无机量子点材料制备功能层，因其易于分散在液体之中，故可以选用旋涂、印刷等简单的成膜工艺，使其制备成本大大降低。由于选用的量子点材料粒径较小，利于分散，使得所制成的薄膜均匀，不易被反向电流击穿。本器件是直流电压驱动，具有功耗低等优点。本发明应用无机纳米材料，稳定性好、工作寿命长。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件及制备方法，以实现制备工艺简单、直流电压驱动且可在正、反双向偏压下实现电致发光的器件。

本发明所的技术方案：

一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，包括衬底、阳极层、无机量子点功能层和阴极层并依次组成堆叠结构，衬底为透明衬底，阳极层为透明导电金属氧化物，无机量子点功能层的构成包括：1)发光层、2)缓冲层和发光层或3)缓冲层、发光层和电子传输层，其中缓冲层为透明无机绝缘材料，发光层和电子传输层为非化学质量比的无机量子点半导体材料，阴极层为导电金属。

所述透明衬底为玻璃或聚乙烯塑料衬底。

所述阳极层的透明导电金属氧化物为氧化铟锡、氧化锌铝或氧化锌镓。

所述缓冲层的透明无机绝缘材料为SiO₂。

所述发光层和电子传输层的非化学质量比的无机量子点半导体材料为ZnO量子点、ZnS量子点、CdS量子点或ZnSe量子点，且量子点颗粒直径不超过4nm。

所述阴极层的导电金属为锂、镁、铝、铜、金或银。

一种所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件的制备方法，步骤如下：

1)在透明衬底设有阳极层，用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇分别对阳极层进行超声清洗且至少两次，然后放在真空干燥箱内干燥，干燥时间为20-100分钟，干燥温度为90-140℃；

2)将量子点材料分别用去离子水、甲醇超声洗剂且至少两次，量子点材料中阴阳离子摩尔比为1-4且直径小于4nm，然后将量子点材料分散在甲醇中，量子点材料与甲醇的质量比为1∶10；

3)用匀胶机在处理好的阳极层上，制备无机功能层量子点亚微米薄膜，转速为400rpm-800rpm、旋涂时间为4秒钟，每悬涂一层后均需在真空干燥箱内干燥，烘干温度为90-140℃、烘干时间为20-100分钟；

4)用真空热蒸发法制备阴极层，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃的速率蒸渡。

本发明的工作原理：

本发明的无机量子点电致发光器件为注入式发光，在只有发光层的情况下，施加正向偏压时，阴极产生的电子与阳极产生的空穴直接在发光层复合发光；施加反向偏压时，发光层中的电子和空穴在高电场的作用下离化，由于阴/阳离子摩尔比失衡而产生的缺陷，对电子具有很强的捕获作用，从而可以保持电子与空穴的离化状态，离化的电子与ITO中少量的电子进入HOMO能级，离化的空穴与AL中少量空穴进入LUMO能级，再由于势垒作用复合发光；

在存在缓冲层和电子传输层的情况下，施加正向偏压时，由阴极产生的电子经过电子传输层传入发光层的HOMO能级中，在到达缓冲层与发光层的界面时受到势垒阻碍而堆积，从而与由阳极产生隧穿过缓冲层的空穴，以及缓冲层在高电场下离化出的空穴复合发光；施加反向偏压时，电子传输层中的电子和空穴在高电场的作用下离化，由于阴/阳离子摩尔比失衡而产生的缺陷，对电子具有很强的捕获作用，从而可以保持电子与空穴的离化状态，除部分空穴与电子重新复合外，部分空穴进入发光层的LUMO能级中，同时缓冲层与发光层在高电场下离化出的电子，在由于阴/阳离子摩尔比失衡而产生的缺陷作用下，堆积在缓冲层与发光层界面的HOMO能级中，与发光层LUMO能级中的电子复合发光。

本发明的优点是：该无机量子点电致发光器件可以通过正反双向偏压来实现器件的显示，并且这种器件的发光层是通过旋涂或印刷工艺制备，所以大大简化了制作工艺，降低了制备成本；此外，该发光器件为直流电压驱动，功耗低；该发光器件采用无机纳米材料制备，稳定性好、工作寿命长。

附图说明

图1为无机量子点功能层由缓冲层、发光层和电子传输层构成的无机量子点电致发光器件结构示意图。

图中：1.衬底  2.阳极层  3.缓冲层  4.发光层5.电子传输层  6.阴极层

图2为该无机量子点电致发光器件的IV曲线图。

图3为该无机量子点电致发光器件的电致发光光谱图。

具体实施方式

图1为无机量子点功能层由缓冲层、发光层和电子传输层构成的无机量子点电致发光器件结构示意图，该可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，包括衬底1、阳极层2、缓冲层3、发光层4、电子传输层5和阴极层6并依次组成堆叠结构。

本发明提出的无机量子点电致发光器件的制备方法阐述如下，整个制备过程均在净化车间实施。透明衬底设有的阳极层为外购成品。

实施例1：

1)在玻璃衬底1上设有透明的氧化铟锡(ITO)作为阳极层2，用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇分别对方块电阻为20Ω的P型ITO电极进行超声清洗两次，然后放在真空干燥箱内干燥，干燥时间为30分钟，干燥温度为100℃；

2)选取直径为3nm的SiO₂量子点作为缓冲层3，用甲醇超声洗涤3次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中；选取Zn/S摩尔比为3∶1、直径为2nm的ZnS量子点材料，将ZnS量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤3次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中；选取Zn/O摩尔比为2∶1、直径为2nm的ZnO量子点材料，将ZnO量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤两次以上然后以1/10的质量比分散在甲醇中；

3)用匀胶机在处理好的ITO电极2上，依次制备缓冲层3SiO₂量子点亚微米薄膜、无机发光层4ZnS量子点亚微米薄膜、电子传输层5ZnO量子点亚微米薄膜，转速为400rpm、旋涂时间优选4秒钟，每旋涂一层亚微米薄膜后，需在真空干燥箱内干燥，烘干温度为140℃、烘干时间为60分钟；

4)用真空热蒸发法选择镁制备阴极层6，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃的速率蒸渡。

对于上述制备的无机电致发光器件，在向透明ITO电极和阴极层施加正向、反向直流(DC)电压时，器件均获得电致发光。图2为该无机量子点电致发光器件的IV曲线图，采用Keithley2400型电源及Keithley485型微电流计检测。图中显示，在正反偏压时器件均获得开启电压。图3为该无机量子点电致发光器件在正向、反向5V电压下的ZnS电致发光光谱，由JY-稳态-瞬态荧光光谱仪检测。图中显示，在正反偏压时器件均获得电致发光光谱。

实施例2：

实施例2与实施例1所述制备多层结构的器件的步骤与工作条件相同，所不同的是：在透明的聚乙烯塑料衬底上设有透明的氧化锌铝(AZO)作为阳极层，电阻为20Ω；发光层材料选取Zn/Se摩尔比为2∶1、直径为3nm的ZnSe量子点材料，将ZnSe量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤2次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中，旋涂转速为600rpm、时间4秒钟，在真空干燥箱内干燥时间为40分钟，干燥温度为100℃；用真空热蒸发法选择银制备阴极层6，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃的速率蒸渡；该器件结构中无电子传输层。

该实施例制备的无机电致发光器件，其IV曲线图显示的效果及在正向、反向5V电压下的ZnS电致发光光谱的效果与实施例1相同。

实施例3：

实施例3与实施例1所述制备多层结构的器件的步骤与工作条件相同，所不同的是：在透明的聚乙烯塑料衬底上采用真空溅射方法形成透明的氧化锌镓(GZO)作为阳极层，电阻为20Ω；发光层材料选取Zn/S摩尔比为3∶1，直径为2nm的ZnS量子点材料，将ZnS量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤3次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中，旋涂转速为400rpm、时间4秒钟，在真空干燥箱内干燥时间为20分钟，干燥温度为90℃；电子传输层材料为Cd/S摩尔比为4∶1，直径为3nm的CdS量子点材料，将CdS量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤4次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中，旋涂转速为800rpm、时间4秒钟，在真空干燥箱内干燥时间为100分钟，干燥温度为130℃；用真空热蒸发法选择金制备阴极层6，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃的速率蒸渡；该器件结构中无缓冲层。

该实施例制备的无机电致发光器件，其IV曲线图显示的效果及在正向、反向5V电压下的ZnS电致发光光谱的效果与实施例1相同。

实施例4：

实施例4与实施例1所述制备多层结构的器件的步骤与工作条件相同，所不同的是：发光层材料选取Cd/S摩尔比为3∶1，直径为2nm的CdS量子点材料，将CdS量子点分别用去离子水、甲醇超声洗涤5次，然后以1/10的质量比分散在甲醇中，旋涂转速为600rpm、时间4秒钟，在真空干燥箱内干燥时间为100分钟，干燥温度为140℃；用真空热蒸发法选择铝制备阴极层6，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃速率蒸渡；该器件结构中无缓冲层和电子传输层。

该实施例制备的无机电致发光器件，其IV曲线图显示的效果及在正向、反向5V电压下的ZnS电致发光光谱的效果与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：包括衬底、阳极层、无机量子点功能层和阴极层并依次组成堆叠结构，衬底为透明衬底，阳极层为透明导电金属氧化物，无机量子点功能层的构成包括：1)发光层、2)缓冲层和发光层或3)缓冲层、发光层和电子传输层，其中缓冲层为透明无机绝缘材料，发光层和电子传输层为非化学质量比的无机量子点材料，阴极层为导电金属。

2.根据权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：所述透明衬底为玻璃或聚乙烯塑料衬底。

3.根据权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：所述阳极层的透明导电金属氧化物为氧化铟锡、氧化锌铝或氧化锌镓。

4.根据权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：所述缓冲层的透明无机绝缘材料为SiO₂。

5.根据权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：所述发光层和电子传输层的非化学质量比的无机量子点材料为ZnO量子点、ZnS量子点、CdS量子点或ZnSe量子点，且量子点颗粒直径不超过4nm。

6.根据权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件，其特征在于：所述阴极层的导电金属为锂、镁、铝、铜、金或银。

7.一种如权利要求1所述可双向电压驱动无机量子点电致发光器件的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)在透明衬底设有阳极层，用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇分别对阳极层进行超声清洗且至少两次，然后放在真空干燥箱内干燥，干燥时间为20-100分钟，干燥温度为90-140℃；

2)将量子点材料分别用去离子水、甲醇超声洗剂且至少两次，量子点材料中阴阳离子摩尔比为1-4且直径小于4nm，然后将量子点材料分散在甲醇中，量子点材料与甲醇的质量比为1∶10；

3)用匀胶机在处理好的阳极层上，制备无机功能层量子点亚微米薄膜，转速为400rpm-800rpm、旋涂时间为4秒钟，每悬涂一层后均需在真空干燥箱内干燥，烘干温度为90-140℃、烘干时间为20-100分钟；

4)用真空热蒸发法制备阴极层，工艺条件是在9E10^-4的真空下，以每秒1.5埃的速率蒸渡。

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