CN102244166A - 一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件 - Google Patents
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Abstract
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件，包括透明衬底、第一导电层、无机功能层和第二导电层并依次构成叠层结构，其中第一导电层为由金属氧化物制备的透明电极，无机功能层为单层结构并由无机纳米半导体材料制备，第二导电层为功函数较低的金属且第二导电层的功函数与无机发光层的能级相匹配，第一导电层、无机功能层和第二导电层构成三明治结构。本发明的优点是：具有存储发光双重功能的无机光电器件可以通过控制驱动电压写入读取数据并控制器件的发光，实现器件的存储和发光双重功能；并且器件的无机功能层是通过旋涂或印刷工艺制备，所以大大简化了制备工艺，降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子半导体元器件技术领域，特别是一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件。发光颜色受电压调控的无机电致发光器件(electroluminescent device)。
背景技术
光电器件在我们的生活中随处可见，如存储器件、发光器件、太阳能电池器件等。随着科学技术的发展和进步，光电器件的多功能化、实用性、便携性等都在不断的提高。其中数字数据存储设备在消费类电子产品中有广泛的应用，为了满足应用要求，这类设备不但要具有小体积、大容量存储的能力，也要具有低功耗、低成本和高可靠性。作为数字数据存储设备的重要成员，一次写入多次读取的数字存储器件（WORM）在很多领域发挥了重要作用。这类存储器件最大的特点是，通过这种技术存储在介质中的数据将不会因各种意外而丢失或被修改，这就保证了对一些重要的数据长期存储的需求。正因为如此，WORM技术在各种传统的存储器领域都已经得到了比较广泛的发展和应用。
为了实现制作工艺简单、低成本、大容量的存储器件，近年来，国内外科研人员一直试图利用简单的夹层结构（三明治结构）来实现一次写入多次读取的电信号存储。2001年美国的Yang研究小组率先研制出了三明治结构的高性能的有机电双稳态存储器（Y. Yang, L. P. Ma, and J. Liu, U.S. Patent, U.S. 01/17206 ~2001）。在2002年Yang研究小组尝试着把发光器件和存储器件合为一体，提出了有机双稳态发光器件（organic bistable light-emitting devices），这类器件具有存储和发光双重功能。有机双稳态发光器件这些特性使其在数字存储，可视电子书，以及可记录的电子纸等方面有很好的应用。但是其制备的器件只是将有机双稳态器件和有机发光器件简单的优化组合，因而器件结构复杂，且有机器件的不稳定性、寿命等问题还没得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件，可以实现制备工艺简单、小体积、大容量的一次写入多次读取的存储功能且具有低压直流驱动发光特性。
本发明的技术方案：
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件，包括透明衬底、第一导电层、无机功能层和第二导电层并依次构成叠层结构，其中第一导电层为由金属氧化物制备的透明电极，无机功能层为单层结构并由无机纳米半导体材料制备，第二导电层为功函数较低的金属且第二导电层的功函数与无机发光层的能级相匹配，第一导电层、无机功能层和第二导电层构成三明治结构。
所述透明衬底为玻璃或柔性聚酰亚胺基板。
所述第一导电层为氧化铟锡（ITO）、氧化锌铝（AZO）或氧化锌镓（GZO）。
所述无机功能层为ZnO、ZnS、NiO、ZnSe、ZnSexS1-x 、CdS或CdxZn1-xS量子点。
所述第二导电层材料为锂（Li）、钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）和铟（In）中的一种及其与铜（Cu）、金（Au）或银（Ag）组成的任意比例的合金。
本发明的优点是：具有存储发光双重功能的无机光电器件可以通过控制驱动电压写入读取数据并控制器件的发光，实现器件的存储和发光双重功能；并且器件的无机功能层是通过旋涂或印刷工艺制备，所以大大简化了制备工艺，降低了制备成本。
附图说明
图1是该无机光电器件的结构示意图。
图2是该无机光电器件发生电流突变时的电压-电流特性曲线，其中x轴表示器件所受电压（单位V），y轴表示器件的响应电流（单位为安培，对数显示）。
图3是该无机光电器件在空气中的存储稳定性测试曲线。
图4是该无机光电器件的存储特性的原理示意图。
图5是该无机光电器件的电致发光光谱图，插图为器件发光照片。
图6是该无机光电器件的无机功能层的SEM图像，此图为ZnS量子点在ITO玻璃上的亚微米薄膜。
具体实施方式
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件，如图1所示，包括透明衬底、第一导电层（阳极）、无机功能层和第二导电层（阴极）并依次构成叠层结构，其中第一导电层为由金属氧化物制备的透明电极，无机功能层为单层结构并由无机纳米半导体材料制备，第二导电层为功函数较低的金属且第二导电层的功函数与无机发光层的能级相匹配，第一导电层、无机功能层和第二导电层构成三明治结构。
以下通过实施例说明该无机光电器件的制备方法，整个制备过程均在净化车间实施。
实施例1：
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件的制备方法，步骤如下：
1）在透明玻璃衬底上形成方块电阻为20Ω/□、膜厚为150nm的P型ITO电极即为第一导电层，用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇分别对ITO电极进行超声清洗，至少重复两次，以去除吸附在其表面的灰尘、有机物和杂质颗粒，然后放在真空干燥箱内烘干，干燥时间为30分钟，干燥温度为100℃，再用氧等离子体处理ITO表面，以提高其功函数；
2）以ZnS量子点材料为无机功能层， ZnS量子点直径为2nm，首先将ZnS量子点分别用去离子水、甲醇超声洗剂3次，然后分散在甲醇溶剂中，形成1wt%的ZnS量子点的甲醇溶液。
用匀胶机在处理好的第一导电层ITO上，制备无机功能层ZnS量子点亚微米薄膜，转速为400rpm、旋涂时间为4秒，然后在真空干燥箱内干燥，烘干温度为140℃，烘干时间为60分钟，以去除多余溶剂，形成致密薄膜，根据所使用的溶剂选择优化烘干时间和烘干温度，这里，烘干温度优选140℃，所制备无机功能层薄膜形貌特征如图6所示；
3）制备第二导电层，所选取导电层的功函数要与无机发光层的能级相匹配，这样可以提高器件的开启电压和发光效率等各方面的性能，该实施例以铝为第二导电层，用真空热蒸发法制备，在9E10-4的真空下，以1.5埃每秒的速率蒸镀。
实施例2：
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件的制备方法，步骤与实施例1基本相同，仅将不同之处说明如下：
1）以透明的柔性聚酰亚胺基板为衬底，以方块电阻为20Ω/□、膜厚为200nm的P型AZO电极即为第一导电层；
2）以ZnO量子点作为无机功能层，分散溶剂为氯仿，制膜时的转速为600rpm，旋涂时间为6秒钟，烘干温度为120℃，烘干时间为60分钟；
3）以银锂合金为第二导电层。
实施例3：
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件的制备方法，步骤与实施例1基本相同，仅将不同之处说明如下：
1）以透明玻璃为衬底，以方块电阻为15Ω/□、膜厚为150nm的P型GZO电极即为第一导电层；
2）以NiO量子点作为无机功能层，分散溶剂为甲苯，制膜时的转速为800rpm，旋涂时间为6秒钟，烘干温度为120℃，烘干时间为40分钟；
3）以钨铜合金为第二导电层。
实施例4：
一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件的制备方法，步骤与实施例1基本相同，仅将不同之处说明如下：
1）以透明玻璃为衬底，以方块电阻为20Ω/□、膜厚为150nm的P型ITO电极即为第一导电层；
2）以CdSe量子点作为无机功能层，分散溶剂为氯仿，制膜时的转速为800rpm，旋涂时间为6秒钟，烘干温度为120℃，烘干时间为60分钟；
3）以金属镁为第二导电层。
以下对实施例1制备的无机光电器件进行性能测试：
首先利用电脑控制的Keithley2400电压源和荧光光谱仪（型号：Jobin Yvon HR320 spectrometer）分别进行I-V特性和发光特性测试，图2给出了该器件发生电流突变时的电流-电压特性曲线，电压扫描方式为：0V→5V→-5V→5V。把实验数据采用双对数拟合以后我们可以看到，该器件在相同的电压下表现了两个导通状态，分别为高电流状态（ON态）和低电流状态（OFF态），开关电流比可以达到103倍左右。当器件从OFF态变成ON态以后，器件在正反向扫描电压5V到-5V作用下，任然保持在ON态，这表明其具有永久性存储功能。其工作原理如图4所示，当对器件应用正向电压时，电子由Al电极注入，由于ZnS亚微米薄膜中存在很多的点缺陷，如硫空位，锌间隙等，这些点缺陷会随机的俘获电子，如图4（a）所示。如图4（b）所示，当外加电压达到一定值时，俘获电子的点缺陷会组成一个或多个电流通道，致使器件的电流有个迅速的增加，这是器件有OFF态转变成ON态。分析测试结果表明所制备的ZnS纳米颗粒薄膜无机光电器件在外加电压作用下表现出很明显的双稳态特性。
对该无机光电器件进行发光特性检测，图5是该器件的电致发光光谱图，插图为器件发光照片。从图5中的插图器件发光的照片可以看出器件发的光为蓝绿光。这样，本发明无机光电器件的实施例一中的器件既实现了写一次读多次的存储特性，又表现出了一定的电致发光特性。
对该无机光电器件进行稳定性检测，图3是该器件在空气中的存储稳定性测试曲线，其为在0.7V电压下的开、关电流与时间关系特性。图中表明：在空气中维持时间超过10，000秒的情况下，开关电流并没有显示出明显的退化，表明该器件有很好的存储性能，表现了很好的稳定性。
Claims (5)
1.一种具有发光和存储双重功能的无机光电器件，其特征在于：包括透明衬底、第一导电层、无机功能层和第二导电层并依次构成叠层结构，其中第一导电层为由金属氧化物制备的透明电极，无机功能层为单层结构并由无机纳米半导体材料制备，第二导电层为功函数较低的金属且第二导电层的功函数与无机发光层的能级相匹配，第一导电层、无机功能层和第二导电层构成三明治结构。
2.根据权利要求1所述具有发光和存储双重功能的无机光电器件，其特征在于：所述透明衬底为玻璃或柔性聚酰亚胺基板。
3.根据权利要求1所述具有发光和存储双重功能的无机光电器件，其特征在于：所述第一导电层为氧化铟锡（ITO）、氧化锌铝（AZO）或氧化锌镓（GZO）。
4.根据权利要求1所述具有发光和存储双重功能的无机光电器件，其特征在于：所述无机功能层为ZnO、ZnS、NiO、ZnSe、ZnSexS1-x 、CdS或CdxZn1-xS量子点。
5.根据权利要求1所述具有发光和存储双重功能的无机光电器件，其特征在于：所述第二导电层材料为锂（Li）、钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）和铟（In）中的一种及其与铜（Cu）、金（Au）或银（Ag）组成的任意比例的合金。
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