CN105261707A - 一种新型量子点发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电致发光器件领域，具体涉及一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。该绝缘层材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯、氧化钙、氧化铝、氧化硅或氧化镓等中的一种或几种。该绝缘层的设置一方面有效地平衡了空穴和电子的注入，另一方面保证了量子点的电中性，从而提高了蓝绿色量子点发光二极管的发光性能。

Description

一种新型量子点发光器件
技术领域
本发明属于电致发光器件技术领域，具体涉及一种新型量子点发光器件。
背景技术
半导体荧光量子点因其独特的光学性质（如量子产率高、单色性好、色彩随尺寸可调、光化学稳定性强且能够通过溶液法进行大规模制备等）成为新一代平板显示和固态照明领域中最具潜力的材料。基于量子点的发光二极管（QD-LEDs）正在受到越来越多的关注。根据以往的文献报道，QD-LEDs器件的效率在很大程度上依赖于电子和空穴注入的平衡程度。近年来，QD-LEDs无论在发光效率还是在使用寿命上都有了很明显的改善，特别是红色QD-LEDs的外量子效率已经达到20.5%。但是蓝绿色QD-LEDs的外量子效率仍相对较低，只有10-13%，主要原因就在于电子和空穴的注入不平衡。本发明的主要特点是针对蓝绿色QD-LEDs中电子-空穴注入的不平衡性提出有效的改良措施，从而提出一种新的器件结构来提高器件的发光效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型的器件结构，以提高蓝绿色QD-LEDs的发光性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。
具体的，绝缘层材料的禁带宽度不小于4 eV。
具体的，绝缘层材料可以为有机材料，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），也可以为无机材料，如氧化铝（Al2O3）、氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）或氧化镓（Ga2O3）等。绝缘层材料可以为其中的一种或两种以上的混合物。
上述的新型量子点器件结构可经以下步骤获得：在ITO阳极上以2000－6000转/min的转速依次旋涂或以0.1－5nm/s的蒸发速率真空沉积空穴注入层、空穴传输层、绝缘层、量子点发光层和电子传输层，然后采用真空沉积的方法制备Al阴极，即得。空穴注入层、空穴传输层的厚度一般在20－100nm，优选30－60nm。绝缘层的厚度一般在1－50nm，优选1－10nm。量子点发光层和电子传输层的厚度一般在20－50nm，优选30－40nm。
具体的，空穴注入层材料为PEDOT:PSS（聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐）、或者是二甲基亚砜、石墨烯或山梨醇掺杂的PEDOT:PSS。掺杂比例为0.001－10%，优选0.005－5%。
空穴传输层材料可以是有机材料，如聚(N,N'-双(4-丁基苯基)-N,N'-双(苯基)联苯胺)（Poly-TPD）、聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-co-(4,4'-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺]（TFB）、聚(9-乙烯基咔唑)（PVK）、三(4-咔唑-9-基苯基)胺（TCTA），4,4'-二(9-咔唑)联苯（CBP），N,N'-双-(1-奈基)-N,N’-二苯基-1,1’-联苯-4,4’-二胺（NPB）、间苯二咔唑（mCP）等。
空穴传输层材料还可以是无机纳米材料，如MoO3、NiO、V2O5和WO3中的一种或两种以上的混合物。
电子传输层材料可以是ZnO、SnO、TiO2或ZrO2等无机纳米材料，也可以是8-羟基喹啉铝（Alq3）。
电子传输层材料还可以是Li、Al、Mg、Cs、In、Ga和Zr中的一种或两种以上掺杂的无机纳米材料，所述无机纳米材料为ZnO、SnO、TiO2或ZrO2。掺杂比例为0.001－50wt%。
所述的量子点发光层为Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶，包括蓝色和绿色量子点中的任意一种或多种。量子点发光层还包括量子点的配体，如巯基类配体、氨基类配体、羧酸根和磷酸根类配体，优选巯基类配体。
本发明在旋涂（或真空沉积）有空穴传输层的ITO电极上沉积一定厚度的绝缘层，然后涂覆一定浓度的量子点溶液作为发光层，最后再依次涂覆（或真空沉积）相应的电子传输层、Al阴极就得到了发光性能良好的QD-LEDs。该方法利用在空穴传输层和量子点发光层之间设置的绝缘层，有效地平衡了电子和空穴的注入，保持了量子点的电中性，从而有效改善了蓝绿色半导体荧光量子点电致发光器件的发光性能。
和现有技术相比，本发明的有益效果：
1）本发明提供了一种简单高效、成本低、可重复且稳定性好的QD-LEDs的器件组装方法，解决了目前蓝绿色QD-LEDs发光性能差的问题。
2）本发明方法工序简单，重复性好，使用的溶剂易于获得且成本低廉；只需在现有器件结构的基础上简单地插入一层绝缘层即可有效地提高器件的发光效率，具有较高的应用价值。
3）本发明得到的蓝绿色量子点发光器件的外量子效率分别为13.2%、16.2%、15.7%和15.8%，其对应的荧光发光峰位分别为463、474、480和495nm。
附图说明
图1为实施例1至3和对比例1中使用的器件结构能级示意图：A为对比例1中没有设置绝缘层的器件结构能级图；B为实施例1至3中在空穴传输层和量子点发光层之间设置绝缘层后器件的能级结构图；
图2为实施例1和对比例1中QD-LEDs器件的电流密度-电压-亮度对比图；
图3为实施例1和对比例1中QD-LEDs器件的发光效率-亮度-外量子效率对比图，插图是亮度在100-3500cd/m2时器件的电流效率和外量子效率对比图；
图4为实施例1和对比例1中相应量子点的荧光光谱（实线）和器件的电致发光谱（虚线）；
图5为实施例1和对比例1中QD-LEDs器件的单载流子注入变化情况；
图6为实施例1中57个QD-LEDs器件的最大外量子效率的直方分布图；
图7为实施例2至4中其他蓝绿色QD-LEDs器件的电流密度-电压-亮度表征；
图8为实施例2至4中其他蓝绿色QD-LEDs器件的外量子效率-亮度表征；
图9为实施例2至4中相应量子点的荧光光谱（实线）和器件的电致发光光谱（虚线）。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围不仅限于此。
下述各实施例中，发光峰位在474nm、463nm、480nm、495nm的ZnCdSe/ZnS量子点均购自泰州海王纳米生物医学科技有限公司。
实施例 1
一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。其结构能级图见图1.。具体经下述步骤获得：
将清洗干净的图案画的ITO玻璃用紫外-臭氧处理机（UV/O3）处理15分钟，然后采用旋转涂膜的方法在ITO玻璃基片上以3000转/分钟的转速旋涂40nm的PEDOT:PSS薄膜作为空穴注入层。将旋涂好PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃基片在空气中于150℃干燥15min，然后将其转移至手套箱中旋涂浓度为10mg/mL的TFB氯苯溶液30nm作为空穴传输层，并在手套箱中150℃干燥30min。以2000转/分钟的转速继续旋涂浓度为1.2-1.8mg/mL的PMMA丙酮溶液作为绝缘层（厚度约5nm），再旋涂浓度为12mg/mL、发光峰位在474nm的ZnCdSe/ZnS量子点作为发光层（厚度约30nm），然后采用旋涂的方法制备厚度约35nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，最后以1－3Å/s的速度真空沉积一层厚100nm的Al作为背电极，即制备得到高效率的QD-LEDs器件。
采用荧光峰位为474nm的量子点所构筑的QD-LEDs的性能表征如图2至6所示。设置PMMA绝缘层后，器件的最大亮度、峰值电流效率和外量子效率分别达到14193cd/m2、11.8cd/A和16.2%。
实施例 2
一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。具体经下述步骤获得：
将清洗干净的图案画的ITO玻璃用紫外-臭氧处理机（UV/O3）处理15分钟，然后采用旋转涂膜的方法在ITO玻璃基片以3000转/分钟的转速旋涂40nm的PEDOT:PSS薄膜作为空穴注入层。将旋涂好PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃基片在空气中于150℃干燥15min，然后将其转移至手套箱中旋涂浓度为10mg/mL的TFB氯苯溶液30nm作为空穴传输层，并在手套箱中150℃干燥30min。以2000转/分钟的转速继续旋涂浓度为1.2-1.8mg/mL的PMMA丙酮溶液作为绝缘层（厚度约5nm），再旋涂浓度为12mg/mL、发光峰位在463nm的ZnCdSe/ZnS量子点作为发光层（厚度约30nm），然后采用旋涂的方法制备厚度约35nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，最后以1－3Å/s的速度真空沉积一层厚100nm的Al作为背电极，即制备得到高效率的QD-LEDs器件。
采用荧光峰位为463nm的量子点所构筑的QD-LEDs的性能表征如图7至9所示。设置PMMA绝缘层后，器件的最大亮度、外量子效率分别达到20900cd/m2和13.2%。
实施例 3
一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。具体经下述步骤获得：
将清洗干净的图案画的ITO玻璃用紫外-臭氧处理机（UV/O3）处理15分钟，然后采用旋转涂膜的方法在ITO玻璃基片以3000转/分钟的转速旋涂40nm的PEDOT:PSS薄膜作为空穴注入层。将旋涂好PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃基片在空气中于150℃干燥15min，然后将其转移至手套箱中旋涂浓度为10mg/mL的TFB氯苯溶液30nm作为空穴传输层，并在手套箱中150℃干燥30min。以2000转/分钟的转速继续旋涂浓度为1.2-1.8mg/mL的PMMA丙酮溶液作为绝缘层（厚度约5nm），再旋涂浓度为12mg/mL、发光峰位在480nm的ZnCdSe/ZnS量子点作为发光层（厚度约30nm），然后采用旋涂的方法制备厚度约35nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，最后以1－3Å/s的速度真空沉积一层厚100nm的Al作为背电极，即制备得到高效率的蓝色QD-LEDs器件。
采用荧光峰位为480nm的量子点所构筑的QD-LEDs的性能表征如图7至9所示。设置PMMA绝缘层后，器件的最大亮度和外量子效率分别达到19100cd/m2和15.7%。
实施例 4
一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，其中，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。具体经下述步骤获得：
将清洗干净的图案画的ITO玻璃用紫外-臭氧处理机（UV/O3）处理15分钟，然后采用旋转涂膜的方法在ITO玻璃基片以3000转/分钟的转速旋涂40nm的PEDOT:PSS薄膜作为空穴注入层。将旋涂好PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃基片在空气中于150℃干燥15min，然后将其转移至手套箱中旋涂浓度为10mg/mL的TFB氯苯溶液30nm作为空穴传输层，并在手套箱中150℃干燥30min。以1-3Å/s的速度真空沉积厚度为5nm的Al2O3作为绝缘层。继续旋涂浓度为12mg/mL、发光峰位为495nm的ZnCdSe/ZnS量子点作为发光层（厚度约30nm），然后采用旋涂的方法制备厚度约35nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，最后以1－3Å/s的速度真空沉积一层厚100nm的Al作为背电极，即制备得到具有高效率的QD-LEDs器件。
采用荧光峰位为495nm的量子点所构筑的QD-LEDs的性能表征如图7至9所示，设置Al2O3绝缘层后，器件的最大亮度和外量子效率分别达到33800cd/m2和15.8%。
对比例 1
一种量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层（HILs）、空穴传输层（HTLs）、量子点发光层（QDs）、电子传输层（ETLs）和Al阴极，具体经下述步骤获得：
将清洗干净的图案画的ITO玻璃用紫外-臭氧处理机（UV/O3）处理15分钟，然后采用旋转涂膜的方法在ITO玻璃基片以3000转/分钟的转速旋涂40nm的PEDOT:PSS薄膜作为空穴注入层。将旋涂好PEDOT:PSS薄膜的ITO玻璃基片在空气中于150℃干燥15min，然后将其转移至手套箱中旋涂浓度为10mg/mL的TFB氯苯溶液30nm作为空穴传输层，并在手套箱中150℃干燥30min。继续旋涂浓度为12mg/mL、发光峰位在474nm的ZnCdSe/ZnS量子点作为发光层（厚度约30nm），然后采用旋涂的方法制备厚度约35nm的氧化锌（ZnO）电子传输层，最后以1－3Å/s的速度真空沉积一层厚100nm的Al作为背电极，即制备得到高效率的蓝色QD-LEDs器件。
采用荧光峰位为474nm的量子点所构筑的QD-LEDs的性能表征如图2至5所示。其结构能级图见图1.。设置PMMA绝缘层前，器件的最大亮度、峰值电流效率和外量子效率分别为12500cd/m2、7.2cd/A和9.8%。

Claims (7)

1.一种新型量子点发光器件，包括ITO阳极、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层和Al阴极，其特征在于，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在空穴传输层和量子点发光层之间。
2.如权利要求1所述的新型量子点发光器件，其特征在于，绝缘层材料的禁带宽度不小于4 eV。
3.如权利要求2所述的新型量子点发光器件，其特征在于，绝缘层材料为聚甲基丙烯酸甲酯、氧化铝、氧化钙、二氧化硅和氧化镓中的一种或两种以上的混合物。
4.如权利要求1所述的新型量子点器件结构，其特征在于，经以下步骤获得：在ITO阳极上以2000－6000转/min的转速依次旋涂或以0.1－5nm/s的蒸发速率真空沉积空穴注入层、空穴传输层、绝缘层、量子点发光层和电子传输层，然后采用真空沉积的方法制备Al阴极，即得。
5.如权利要求1所述的新型量子点发光器件，其特征在于，空穴注入层材料为PEDOT:PSS、或者是二甲基亚砜、石墨烯或山梨醇掺杂的PEDOT:PSS；空穴传输层材料为聚(N,N'-双(4-丁基苯基)-N,N'-双(苯基)联苯胺)、聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-co-(4,4'-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺]、聚(9-乙烯基咔唑)、三(4-咔唑-9-基苯基)胺、4,4'-二(9-咔唑)联苯、N,N'-双-(1-奈基)-N,N’-二苯基-1,1’-联苯-4,4’-二胺或间苯二咔唑。
6.如权利要求1所述的新型量子点发光器件，其特征在于，空穴传输层材料为MoO3、NiO、V2O5和WO3中的一种或两种以上的混合物；电子传输层材料为8-羟基喹啉铝、ZnO、SnO、TiO2或ZrO2。
7.如权利要求1所述的新型量子点发光器件，其特征在于，电子传输层材料为Li、Al、Mg、Cs、In、Ga和Zr中的一种或两种以上掺杂的无机金属氧化物，所述无机金属氧化物为ZnO、SnO、TiO2或ZrO2。
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