CN106935717B - 包括量子点的发光设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括量子点的发光设备。所述发光设备包括：第一电极；面向所述第一电极的第二电极；和提供在所述第一电极和所述第二电极之间的发光层，其中所述发光层包括量子点，所述量子点包括：核芯，其包括至少一种第一正离子前体和至少一种负离子前体；壳，其包括至少一种第二正离子前体和至少一种负离子前体并且包裹核芯；和在壳的表面上形成的配体，其中所述第一正离子前体是第n周期元素并且所述第二正离子前体是第(n‑1)周期元素，其中n是3至6的整数。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年12月29日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2015-0188392的优先权和益处，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明概念涉及量子点和使用其的发光设备。
背景技术
量子点表示具有晶体结构的材料，所述晶体结构具有数个纳米的尺寸并且包括数百至数千个原子。这种小的材料具有宽的每单位体积的表面积，从而大部分原子被提供在表面上，并且出现量子约束效应，所以该材料具有与材料的独特特性不同的电、磁、光、化学和机械特征。即，可能通过控制量子点的尺寸来控制各种特性。
当量子点设置在基板上时，可制造高度集成的元件，并且最近已经研究了使用量子点而不是有机发光材料作为发光层材料的量子点发光设备。量子点发光设备可控制量子点的尺寸，以实现期望的自然色，其具有卓越的色彩再现性，并且其具有与发光二极管(LED)一样好的亮度，所以其作为弥补发光二极管(LED)缺陷的材料，特别是作为下一代光源的材料而受到关注。
在该背景部分中公开的上述信息仅仅是为了加强对本发明概念背景的理解，所以其可包含在本国本领域技术人员已经知道的不形成现有技术的信息。
发明内容
本发明概念已经努力提供了无镉量子点和稳定性改善的发光设备。
本发明概念的另一实施方式提供了一种发光设备，其包括：第一电极；面向第一电极的第二电极；和提供在第一电极和第二电极之间的发光层，其中发光层包括量子点，量子点包括包含至少一种第一正离子前体和至少一种负离子前体的核芯，包括至少一种第二正离子前体和至少一种负离子前体并且包裹核芯的壳，和在壳的表面上形成的配体，其中第一正离子前体是第n周期元素并且第二正离子前体是第(n-1)周期元素，其中n是3至6的整数。
发光设备可进一步包括设置在第一电极和发光层之间的空穴传输层，和设置在发光层和第二电极之间的电子传输层。
量子点中壳的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低未占分子轨道(LUMO)能级与核芯的HOMO能级和LUMO能级的差异分别等于或小于2.0eV。
第一正离子前体可包括Al、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、In、Ag、Pb、Bi和Tl中的至少一种。
负离子前体可包括Te、I、O、S、Se、N、P、As和Sb中的至少一种。
核芯可包括PbI2、BiI3、Fe2O3、CoO、CuO、Cu2O、AgO、Ag2O、CuS、Cu2S、Ag2S、In2S3、Bi2S3、CuSe、Cu2Se、AgSe、Ga2Se3、In2Se3、TlSe、Cu2Te、ZnTe、Cu3N、Zn3P2、GaP、InP、AlAs、GaAs和AlSb中的至少一种。
空穴传输层可包括核芯中包括的化合物的p-型掺杂化合物，p-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素，电子传输层可包括核芯中包括的化合物的n-型掺杂化合物，n-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素。
发光设备可进一步包括阻挡层，并且阻挡层可提供在空穴传输层和发光层之间和/或发光层和电子传输层之间。
阻挡层的厚度可为0.5nm至5nm。
此外，根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备可解决空穴和电子的电荷平衡缺陷的常规问题，从而通过减少元件的劣化而改善稳定性和延长寿命。
附图说明
图1显示了根据本发明概念的示例性实施方式的量子点的横截面图。
图2显示了根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备的横截面图。
图3显示了根据本发明概念的示例性实施方式的改进的图2的发光设备的横截面图。
图4显示了根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备的带隙能级的示意图。
具体实施方式
下文参考附图更充分描述本发明概念，其中显示了本发明概念的示例性实施方式。如本领域技术人员将认识到的，可以以所有都不背离本发明概念的精神和范围的各种不同的方式修饰所描述的实施方式。
为了清楚，附图中的层、薄膜、板、区域等的厚度被放大。贯穿本说明书，相同的参考数值表示相同的元件。应当理解，当元件，比如层、薄膜、区域或基板被提及在另一元件“之上”时，其可直接在另一元件上方或也可存在中间元件。相反，当元件被提及“直接”在另一元件“之上”时，则不存在中间元件。
将参考附图详细地描述根据本发明概念的示例性实施方式的量子点以及包括其的发光设备。
现将描述根据本发明概念的示例性实施方式的量子点。
量子点100包括包含至少一种第一正离子前体和至少一种负离子前体的核芯110、包括至少一种第二正离子前体和至少一种负离子前体并且包裹核芯的壳120，和在壳120的表面上产生的配体130。
核芯110中包括的第一正离子前体表示元素周期表中的第n周期元素，并且n是3至6的整数。详细地，在该示例性实施方式中，期望第一正离子前体包括铝(Al)、铁(Fe)、钴(Co)、铜(Cu)、锌(Zn)、镓(Ga)、铟(In)、银(Ag)、铅(Pb)、铋(Bi)和铊(Tl)中的至少一种。
此外，核芯110和壳120中包括的负离子前体可包括碘化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、氮化物、磷化物、砷化物和锑化物中的至少一种，其可以以适当的方式选择，这取决于第一正离子前体或第二正离子前体。详细地，负离子前体可包括氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)、氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)和碘(I)中的至少一种。
即，核芯110可以是二元核芯，其包括PbI2、BiI3、Fe2O3、CoO、CuO、Cu2O、AgO、Ag2O、CuS、Cu2S、Ag2S、In2S3、Bi2S3、CuSe、Cu2Se、AgSe、Ga2Se3、In2Se3、TlSe、Cu2Te、ZnTe、Cu3N、Zn3P2、GaP、InP、AlAs、GaAs和AlSb中的至少一种，但不限于此，其可以是三元核芯或四元核芯。
量子点100不包括用于实现具有高光致发光量子产率和窄的半峰宽度的发光设备的材料，比如镉(Cd)和汞(Hg)。不包括破坏环境的镉(Cd)和汞(Hg)的发光设备是解决环境问题的良好方式。
根据组成比例，即，二元核芯中第一正离子前体和/或负离子前体的含量，核芯110可展示各种颜色，并且可通过改变核芯110的尺寸而控制发光色。因此，量子点100可具有各种发光色，比如蓝色、红色或绿色。
详细地，在本示例性实施方式中，核芯110的直径是约2nm至10nm。
根据本发明概念的示例性实施方式的壳120基本上包裹核芯110的表面，以便保护核芯110。当包括在核芯110中的第一正离子前体是第n周期元素时，包括在本示例性实施方式的壳120中的第二正离子前体是第(n-1)周期元素。此外，包括在壳120中的负离子前体可包括碘化物、氧化物、硫化物、硒化物、碲化物、氮化物、磷化物、砷化物和锑化物中的至少一种。例如，壳120可以是二元壳，其包括MgTe、MgSe、MgO和M gS中的至少一种，但不限于此，其可以是三元壳和四元壳。
因此，壳120的HOMO能级和LUMO能级与核芯110的HOMO能级和LUMO能级的差异分别等于或小于2.0eV。
在壳120的表面上形成配体130。配体130可包括有机官能团，并且其可提供在壳120的表面上以与壳120化学结合。有机官能团可包括三辛基膦(TOP)、三辛基氧化膦(TOPO)、羧酸锌、羧酸、胺、膦酸和其混合物中的至少一种。在本示例性实施方式中，当形成量子点100时，配体130有助于量子点100在非极性溶剂中的分散。
图2显示了根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备的横截面图。
现将参考图2描述根据本发明概念的示例性实施方式的包括量子点100的发光设备。
参考图2，发光设备包括第一电极160、空穴传输层173、发光层175、电子传输层177和第二电极180。
当第一电极160是阳极时，第一电极160可通过使用选自具有高功函的那些材料的材料形成，以便容易注入空穴。第一电极160可以是透明电极或非透明电极。当第一电极160是透明电极时，第一电极160可包括导电性氧化物，比如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌锡(ZTO)、氧化铜铟(CIO)、氧化铜锌(CZO)、氧化镓锌(GZO)、氧化铝锌(AZO)或其组合，或其可包括薄金属，比如钇、铝、银或镁。是透明电极的第一电极160可包括结合有导电氧化物和金属的多层结构，或配置有导电氧化物和金属之一的多层结构。当第一电极160是非透明电极时，第一电极160可包括金属，比如铝、银或镁。
此外，第一电极160可由石墨烯、碳纳米管或导电聚合物(PEDOT:PSS)形成。
就其中由发光层175产生的光从第一电极160朝着第二电极180方向发射的示例性实施方式而言，第一电极160可包括由银(Ag)、铝(Al)、镁(Mg)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钛(Ti)、金(Au)、钯(Pd)或它们的合金制成的反射层。此外，第一电极160可通过在反射层上方或下方提供由ITO、IZO或ZnO制造的透明电极材料层或在反射层的两侧均提供它们而包括多层结构。
第一电极160可通过溶液工艺、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或热蒸发而形成。
第二电极180面向第一电极160。
当第二电极180是阴极时，其可包括具有低功函的材料，以便容易注入电子。详细地，材料可以是金属比如镁、钙、钠、钾、钛、铟、钇、锂、钆、铝、银、锡、铅、铯或钡或它们的合金，或其可以是多层材料，比如LiF/Al、LiO2/Al、LiF/Ca、LiF/Al和BaF2/Ca，但是其不限于此。
当第二电极180由合金制成时，合金的组成比例可通过温度、大气压和真空水平来控制，并且可选择具有适当的比例。
第二电极180可包括多个层。
发光层175提供在第一电极160和第二电极180之间。
由将要描述的空穴传输层173和电子传输层177提供的空穴和电子在发光层175中复合，并且因此而发光。发光层175可以是包括上述根据本发明概念的示例性实施方式的量子点100的无机发光层。即，根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备不包括破坏环境的材料，比如镉作为量子点100，但是包括环境友好型量子点100。
在本示例性实施方式中，发光层175的厚度可以为约10nm至50nm，并且其可通过溶液工艺、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)或热蒸发而形成。
空穴传输层173提供在第一电极160和发光层175之间。空穴传输层173可平顺地将空穴从第一电极160运输至发光层175，并且可包括与包括在上述量子点100中的核芯材料相同的化合物。
详细地，空穴传输层173是p-型运输层。更详细地，空穴传输层173包括运输p-型掺杂空穴的材料。空穴传输层173包括包含在量子点100的核芯110中的化合物的p-型掺杂化合物。p-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素。空穴传输层173包括化合物比如p-ZnTe、p-ZnSe和p-ZnS。
在本示例性实施方式中，作为p-型掺杂剂的金属或非金属可取决于核芯材料而改变。例如，当核芯110中包括的第一正离子前体是二价元素时，掺杂单价元素作为p-型掺杂剂，并且当核芯110中包括的负离子前体是(-)二价元素时，掺杂(-)三价元素作为p-型掺杂剂。
详细地，空穴传输层173包括p-型掺杂剂，其包括改善其导电性的铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、氮(N)、磷(P)、砷(As)和锑(Sb)中的至少一种。
可通过溶液工艺、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和热蒸发来形成空穴传输层173。
电子传输层177提供在发光层175和第二电极180之间。电子传输层177可将电子从第二电极180运输至发光层175。此外，电子传输层177可防止通过第一电极160注入的空穴穿过发光层175并且移动至第二电极180。即，用作空穴阻挡层的电子传输层177有助于空穴和电子在发光层175中的复合。
电子传输层177可包括与量子点100中包括的核芯材料相同的化合物。详细地，电子传输层177是n-型传输层。更详细地，电子传输层177包括用于传输n-型掺杂电子的材料。详细地，电子传输层177包括量子点100的核芯110中包括的化合物的n-型掺杂化合物。n-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素。电子传输层177包括化合物，比如n-ZnSe、n-ZnS和n-ZnO。
在本示例性实施方式中，作为n-型掺杂剂的金属或非金属可取决于核芯材料而改变。例如，当核芯110中包括的第一正离子前体是二价元素时，掺杂三价元素作为n-型掺杂剂，并且当负离子前体是(-)二价元素时，掺杂(-)单价元素作为n-型掺杂剂。
详细地，电子传输层177包括n-型掺杂剂，其包括改善其导电性的硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和碘(I)中的至少一种。
可通过溶液工艺、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和热蒸发形成电子传输层177。
根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备包括与空穴传输层173、电子传输层177和发光层的量子点的核芯相同的无机材料，从而与包括有机空穴传输层的常规发光设备相比，减少了元件的劣化并且延长了寿命。
图3显示了根据本发明概念的示例性实施方式改进的图2发光设备的横截面图。
图3显示了多个阻挡层174和176被添加至图2的根据示例性实施方式的发光设备。详细地，阻挡层174和176被分别提供在空穴传输层173和发光层175之间以及发光层175和电子传输层177之间。
阻挡层174和176包括基于第一族金属的卤化物化合物或基于第二族金属的卤化物化合物。例如，阻挡层174和176可包括LiI、NaI、KI、RbI和CsI。
阻挡层174和176不限于图3中显示的构造，并且其至少一种可在图2中显示的发光设备层的界面上形成。即，阻挡层174和176被提供在发光层175和电子传输层177，和/或空穴传输层173的界面上，从而控制电子和/或空穴的隧道效应，并且从而控制发光设备的电荷平衡。
在该情况下，可通过适当控制阻挡层174和176的厚度来控制电子和/或空穴的隧道效应，并且随着厚度增加，作为能障的作用增加。
详细地，期望阻挡层174和176的厚度为约0.5nm至5.0nm。当阻挡层的厚度小于约0.5nm时，阻挡层的作用变弱，并且当其厚度大于约5.0nm时，可能基本上破坏了空穴和/或电子至发光层的迁移性。
现将描述根据本发明概念的示例性实施方式的电荷平衡控制作用。
图4显示了根据本发明概念的示例性实施方式的发光设备的带隙能级的示意图。
参考图3和图4，发光设备包括由ITO制造的第一电极160、p-型空穴传输层173、第一阻挡层174、包括核壳结构的量子点的发光层175、第二阻挡层176、n-型电子传输层177，和由Yb/AgMg制造的第二电极180。
详细地，图4显示了包括ZnTe/MgTe量子点100的发光层175。在本示例性实施方式中，量子点100具有作为核芯110的ZnTe和具有作为壳120的MgTe，壳120具有与核芯110相同的晶体结构。即，量子点100具有ZnTe的核芯，其被MgTe的壳包裹。壳120的带隙能大于核芯110的带隙能。参考图4，作为核芯110的ZnTe的带隙能是约2.26eV，并且作为壳的MgTe的带隙能是约3.5eV。
对于根据本发明概念的示例性实施方式的核芯110的带隙能，理想的是约1.2eV至3.5eV，对于壳120的带隙能，理想的是约2.6eV至4.0eV。
此外，第一阻挡层174提供在包括p-型ZnTe的空穴传输层173和作为p-型空穴传输层173的发光层175之间，并且第二阻挡层176提供在包括n-型ZnTe的电子传输层177和作为n-型电子传输层177的发光层175之间。详细地，可发现空穴传输层173和发光层175之间的带隙能差大于电子传输层177和发光层175之间的带隙能差。因此，空穴传输层173和电子传输层177在与发光层175的界面处分别包括第一阻挡层174和/或第二阻挡层176，从而有效控制注入发光层175的空穴和/或电子隧道效应量。
在常规量子点发光设备中，因为电子和空穴之间移动性的差异，比空穴更多的电子被注入量子点发光层，并且破坏了注入发光层的空穴和电子的平衡，从而降低了发光效率。此外，发光层和空穴传输层之间的带隙能差大于发光层和电子传输层之间的带隙能差，从而比空穴更多的电子被注入量子点。
在根据本示例性实施方式的发光设备的情况下，考虑空穴传输层173和/或电子传输层177和发光层175的能障，适当地设置第一阻挡层174和/或第二阻挡层176，增加了电子注入势垒，降低了空穴注入势垒，以控制电荷平衡，并且增加了根据本示例性实施方式的发光设备的稳定性。
尽管已经结合目前视为是实际的示例性实施方式描述了本发明，但是应当理解，本发明概念不限于公开的实施方式，而是相反，旨在覆盖包括在所附的权利要求的精神和范围内的各种改进和等同设置。
Claims (7)
1.一种发光设备，包括：
第一电极；
面向所述第一电极的第二电极；和
提供在所述第一电极和所述第二电极之间的发光层，
其中所述发光层包括量子点，所述量子点包括：
包含至少一种第一正离子前体和至少一种负离子前体的核芯，
包括至少一种第二正离子前体和至少一种负离子前体并且包裹所述核芯的壳，和
形成在所述壳的表面上的配体，
其中所述第一正离子前体是第n周期元素并且所述第二正离子前体是第(n-1)周期元素，其中n是3至6的整数，
所述发光设备进一步包括设置在所述第一电极和所述发光层之间的空穴传输层，和设置在所述发光层和所述第二电极之间的电子传输层，
其中所述空穴传输层、所述电子传输层和所述发光层的所述量子点的所述核芯包括相同的无机材料，
其中所述空穴传输层包括所述核芯中包括的化合物的p-型掺杂化合物，所述p-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素，并且
所述电子传输层包括所述核芯中包括的化合物的n-型掺杂化合物，所述n-型掺杂化合物掺杂有金属、非金属或卤素元素。
2.如权利要求1所述的发光设备，其中所述壳的最高占据分子轨道能级和最低未占分子轨道能级与所述核芯的最高占据分子轨道能级和最低未占分子轨道能级的差异分别等于或小于2.0eV。
3.如权利要求2所述的发光设备，其中
所述第一正离子前体包括Al、Fe、Co、Cu、Zn、Ga、In、Ag、Pb、Bi和Tl中的至少一种。
4.如权利要求3所述的发光设备，其中
所述负离子前体包括Te、I、O、S、Se、N、P、As和Sb中的至少一种。
5.权利要求4所述的发光设备，其中
所述核芯包括PbI2、BiI3、Fe2O3、CoO、CuO、Cu2O、AgO、Ag2O、CuS、Cu2S、Ag2S、In2S3、Bi2S3、CuSe、Cu2Se、AgSe、Ga2Se3、In2Se3、TlSe、Cu2Te、ZnTe、Cu3N、Zn3P2、GaP、InP、AlAs、GaAs和AlSb中的至少一种。
6.如权利要求5所述的发光设备，其中
所述发光设备进一步包括阻挡层，并且
所述阻挡层提供在空穴传输层和发光层之间和/或发光层和电子传输层之间。
7.如权利要求6所述的发光设备，其中
所述阻挡层包括基于第一族金属的卤化物化合物或基于第二族金属的卤化物化合物，其中所述阻挡层的厚度是0.5nm至5nm。
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