CN110265561A - 一种纯量子点上转换发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种纯量子点上转换发光器件及其制备方法,所述器件包括由衬底依次连接的阳极层、空穴阻挡层、量子点红外吸收层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层以及阴极层。所述发光器件实现了吸收光、发射光波长可调节,拥有更广泛的应用场景;不含Er、Yb等珍贵的稀土元素,制备工艺简单,成本低廉;发光性能优秀,对比度极高;可制备在柔性衬底上,应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域,涉及一种上转换器件,尤其涉及一种纯量子点上转换发光器件及其制备方法。
背景技术
上转换发光是一种将波长较长的光(例如红外光)转化为波长较短的光(例如可见光与紫外光)的发光技术。上转换发光在诸多领域场景都有潜在应用价值,例如上转换激光器、上转换发光显示器(例如夜视仪)、防伪技术等等。
上个世纪80年代这项技术主要是利用稀土元素材料进行反斯托克斯发光来实现的。然而稀土元素比较稀少且昂贵,制备工艺也较为复杂,成本较高昂。随着科学技术不断发展,科研人员们又通过无机半导体掺杂技术成功制备了复合上转换发光器件,但是这类器件大多效率较低且因为由刚性氧化物材料在刚性衬底上生长成薄膜材料不具有可弯曲延展功能,不易制成可穿戴设备,因此缺少许多应用场景。接着又有研究人员利用有机材料制备了复合上转换发光器件,不过这类器件也通常面临着使用有机材料的寿命短、吸收光、发射光波长不可调节等问题。
CN 105590945 A公开了一种含有量子点的有机发光显示器件、显示方法及其应用。其中含有量子点的有机发光显示器件包括:发光器件,用于发出作为背光源的光;蓝色上转换层,用于将所述发光器件发出的光中的红光和/或绿光转换为蓝光,并同时允许发光器件发出的光中的蓝光透过;绿色量子点层,用于将所述发光器件发出的蓝光进行转换得到绿光,并同时允许发光器件发出的光中的绿光透过;红色量子点层,用于将所述发光器件发出的蓝光和/或绿光进行转换得到红光,并同时允许发光器件发出的光中的红光透过。
CN 107527983 A公开了一种一种全无机柔性上转换发光器件及其制备方法,包括柔性超薄云母衬底以及无机上转换发光薄膜层,其中,所述的无机上转换发光薄膜层为掺杂了0.75%Er和0.75%Yb的Ba0.85Ca0.15TiO3薄膜。其制备方法为(1)按无机上转换发光薄膜层的化学计量比,制备靶材;(2)利用物理方法对云母衬底沿解理面剥离进行减薄处理,减薄至5微米以下;(3)设定沉积温度为500-800℃,氧压为0.1-100Pa,激光能量为50-250mJ,采用脉冲激光沉积法进行薄膜的制备。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供一种纯量子点上转换发光器件及其制备方法,所述发光器件实现了吸收光、发射光波长可调节,拥有更广泛的应用场景;不含Er、Yb等珍贵的稀土元素,制备工艺简单,成本低廉;发光性能优秀,对比度极高;可制备在柔性衬底上,应用前景广泛。
为达上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明目的之一在于提供一种纯量子点上转换发光器件,所述器件包括由衬底依次连接的阳极层、空穴阻挡层、量子点红外吸收层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层以及阴极层。
本发明中,所述发光器件实现上转换发光原理如图2a和图2b所示:在红外光关闭的情况下,如图2a所示:电子在量子点发光层聚集,外部空穴被空穴阻挡层阻挡,复合的激子数目较少,器件不发光(或者发出微弱的红光)。当红外光照射器件时,如图2b所示:量子点红外吸收层产生大量激子,其中电子通过空穴阻挡层与外部空穴在阳极/空穴阻挡层界面复合,空穴通过空穴传输层在量子点发光层与聚集的电子复合并产生大量光子,器件发出较强的红光。
作为本发明优选的技术方案,所述量子点红外吸收层的材料包括PbS量子点、PbSe量子点或InGaAs量子点中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:PbS量子点和PbSe量子点的组合、PbSe量子点和InGaAs量子点的组合、InGaAs量子点和PbS量子点的组合或PbS量子点、PbSe量子点和InGaAs量子点的组合等。
优选地,所述量子点红外吸收层的厚度为100~300nm,如100nm、120nm、150nm、180nm、200nm、220nm、250nm、280nm或300nm等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述量子点发光层的材料包括CdSe量子点、CdS量子点、CdSe/CdS量子点或InAlAs/AlGaAs量子点中的任意一种或至少两种的组合,所述组合但非限制性实例有:CdSe量子点和CdS量子点的组合、CdS量子点和CdSe/CdS量子点的组合、CdSe/CdS量子点和InAlAs/AlGaAs量子点的组合、InAlAs/AlGaAs量子点和CdSe量子点的组合或CdSe量子点、CdS量子点和CdSe/CdS量子点的组合等。
优选地,所述量子点发光层的厚度为10~70nm,如10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm或70nm等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述衬底包括刚性沉底或柔性衬底。
优选地,所述刚性衬底包括玻璃衬底或硅衬底。
优选地,所述柔性衬底包括超薄玻璃衬底、聚合物衬底或金属箔片衬底中的任意一种。
作为本发明优选的技术方案,所述阳极层的材料包括氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡或氧化铝锌中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:氧化铟锡和氧化铟锌的组合、氧化铟锌和氧化铝锡的组合、氧化铝锡和氧化铝锌的组合、氧化铝锌和氧化铟锡的组合或氧化铟锡、氧化铟锌和氧化铝锡的组合等。
作为本发明优选的技术方案,所述空穴阻挡层的材料包括ZnO、TiO2、Alq3、Bphen、BCP或TPBi中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:ZnO和TiO2的组合、TiO2和Alq3的组合、Alq3和Bphen的组合、Bphen和BCP的组合、BCP和TPBi的组合、TPBi和ZnO的组合或ZnO、TiO2和Alq3的组合等。
优选地,所述空穴阻挡层的厚度为10~50nm,如10nm、20nm、30nm、40nm或50nm等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述空穴传输层的材料包括TPD、NPB、TFB或PVK中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:TPD和NPB的组合、NPB和TFB的组合、TFB和PVK的组合、PVK和TPD的组合或TPD、NPB和TFB的组合等。
优选地,所述空穴传输层的厚度为5~40nm,如5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm或40nm等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述电子传输层的材料包括ZnO、TiO2或Alq3中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:ZnO和TiO2的组合、TiO2和Alq3的组合、Alq3和ZnO的组合或ZnO、TiO2和Alq3的组合等。
优选地,所述电子传输层的厚度为10~50nm,如10nm、20nm、30nm、40nm或50nm等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案,所述阴极层的材料包括Al、Ag、Ga、Mg或LiF中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:Al和Ag的组合、Ag和Ga的组合、Ga和Mg的组合、Mg和LiF的组合、LiF和Al的组合或Al、Ag和Ga的组合等。
本发明目的之二在于提供一种上述纯量子点上转换发光器件的制备方法,所述方法包括以下步骤:
在衬底上刻画出阳极,在阴极上依次涂覆制备阳极层、空穴阻挡层、量子点红外吸收层、空穴传输层、量子点发光层和电子传输层,在电子传输层上蒸镀阴极层,封装得到所述纯量子点上转换发光器件。
与现有技术方案相比,本发明至少具有以下有益效果:
(1)针对需要掺杂稀土元素制备的成本较为高昂的上转换发光器件本发明的纯量子点上转换发光器件不需要进行稀土元素的掺杂;
(2)针对无机半导体材料制备的上转换发光器件性能较低,刚性材料不易制成可穿戴设备等弊端,本发明的纯量子点上转换发光器件选用高性能量子点作为吸收以及发射层材料,实现了高性能器件并具有良好的柔性特质;
(3)针对有机材料制备的上转换发光器件所面临的稳定性较差,使用寿命较短等弊端,本发明的纯量子点上转换发光器件稳定性更加良好;
(4)本发明的纯量子点上转换发光器件可通过量子点的量子限域效应实现其它上转换发光器件无法具备的吸收光、发射光波长可分别调控的特有优势。
附图说明
图1是本发明提供的纯量子点上转换发光器件的结构示意图;
图2a是本发明提供的纯量子点上转换发光器件的发光原理图(红外光关闭);
图2b是本发明提供的纯量子点上转换发光器件的发光原理图(红外光照射);
图中:1-衬底,2-阳极层,3-空穴阻挡层,4-量子点红外吸收层,5-空穴传输层,6-量子点发光层,7-电子传输层,8-阴极层。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,本发明的典型但非限制性的实施例如下:
实施例1
本实施例提供一种纯量子点上转换发光器件,所述结构为:
包括由玻璃衬底依次连接的氧化铟锡阳极层、ZnO空穴阻挡层、PbS量子点红外吸收层、TFB空穴传输层、CdSe量子点发光层、ZnO电子传输层以及Al阴极层。
其中,空穴阻挡层厚度约为40nm,量子点红外吸收层厚度约为180nm,空穴传输层厚度约为10nm,量子点发光层厚度约为20nm,电子传输层厚度约为30nm。
在入射红外功率密度为18mW/cm2,外加偏压为15V时器件亮度可达到155CD/cm2,最大对比度可以达到约17000。结果为光谱光度色度辐射度计测试所得。
实施例2
本实施例提供一种纯量子点上转换发光器件,所述结构为:
包括由玻璃衬底依次连接的氧化铟锡阳极层、TiO2空穴阻挡层、PbSe量子点红外吸收层、TPD空穴传输层、CdS量子点发光层、TiO2电子传输层以及Al阴极层。
其中,空穴阻挡层厚度约为10nm,量子点红外吸收层厚度约为100nm,空穴传输层厚度约为5nm,量子点发光层厚度约为10nm,电子传输层厚度约为10nm。
在入射红外功率密度为18mW/cm2,外加偏压为15V时器件亮度可达到200CD/cm2,最大对比度可以达到约50结果为光谱光度色度辐射度计测试所得。
实施例3
本实施例提供一种纯量子点上转换发光器件,所述结构为:
包括由玻璃衬底依次连接的氧化铟锡阳极层、Alq3空穴阻挡层、InGaAs量子点红外吸收层、NPB空穴传输层、CdSe/CdS量子点发光层、Alq3电子传输层以及Al阴极层。
其中,空穴阻挡层厚度约为50nm,量子点红外吸收层厚度约为300nm,空穴传输层厚度约为40nm,量子点发光层厚度约为70nm,电子传输层厚度约为50nm。
在入射红外功率密度为18mW/cm2,外加偏压为15V时器件亮度可达到100CD/cm2,最大对比度可以达到约30结果为光谱光度色度辐射度计测试所得。
实施例4
本实施例提供一种纯量子点上转换发光器件,所述结构为:
包括由玻璃衬底依次连接的氧化铟锡阳极层、Bphen空穴阻挡层、PbS量子点红外吸收层、PVK空穴传输层、InAlAs/AlGaAs量子点发光层、ZnO电子传输层以及Al阴极层。
其中,空穴阻挡层厚度约为25nm,量子点红外吸收层厚度约为200nm,空穴传输层厚度约为30nm,量子点发光层厚度约为50nm,电子传输层厚度约为25nm。
在入射红外功率密度为18mW/cm2,外加偏压为15V时器件亮度可达到120CD/cm2,最大对比度可以达到约35结果为光谱光度色度辐射度计测试所得。
实施例5
本实施例提供一种纯量子点上转换发光器件,所述结构为:
包括由玻璃衬底依次连接的氧化铟锡阳极层、TPBi空穴阻挡层、PbSe量子点红外吸收层、TFB空穴传输层、CdSe量子点发光层、ZnO电子传输层以及Al阴极层。
其中,空穴阻挡层厚度约为40nm,量子点红外吸收层厚度约为150nm,空穴传输层厚度约为15nm,量子点发光层厚度约为30nm,电子传输层厚度约为30nm。
在入射红外功率密度为18mW/cm2,外加偏压为15V时器件亮度可达到70CD/cm2,最大对比度可以达到约150结果为光谱光度色度辐射度计测试所得。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征,但本发明并不局限于上述详细结构特征,即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本发明的思想,其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种纯量子点上转换发光器件,其特征在于,所述器件包括由衬底依次连接的阳极层、空穴阻挡层、量子点红外吸收层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输层以及阴极层。
2.根据权利要求1所述的发光器件,其特征在于,所述量子点红外吸收层的材料包括PbS量子点、PbSe量子点或InGaAs量子点中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述量子点红外吸收层的厚度为100~300nm。
3.根据权利要求1或2所述的发光器件,其特征在于,所述量子点发光层的材料包括CdSe量子点、CdS量子点、CdSe/CdS量子点或InAlAs/AlGaAs量子点中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述量子点发光层的厚度为10~70nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发光器件,其特征在于,所述衬底包括刚性沉底或柔性衬底;
优选地,所述刚性衬底包括玻璃衬底或硅衬底;
优选地,所述柔性衬底包括超薄玻璃衬底、聚合物衬底或金属箔片衬底中的任意一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的发光器件,其特征在于,所述阳极层的材料包括氧化铟锡、氧化铟锌、氧化铝锡或氧化铝锌中的任意一种或至少两种的组合。
6.根据权利要求1-5任一项所述的发光器件,其特征在于,所述空穴阻挡层的材料包括ZnO、TiO2、Alq3、Bphen、BCP或TPBi中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述空穴阻挡层的厚度为10~50nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的发光器件,其特征在于,所述空穴传输层的材料包括TPD、NPB、TFB或PVK中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述空穴传输层的厚度为5~40nm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的发光器件,其特征在于,所述电子传输层的材料包括ZnO、TiO2或Alq3中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述电子传输层的厚度为10~50nm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的发光器件,其特征在于,所述阴极层的材料包括Al、Ag、Ga、Mg或LiF中的任意一种或至少两种的组合。
10.一种权利要求1-9任一项所述的发光器件的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
在衬底上刻画出阳极,在阴极上依次涂覆制备阳极层、空穴阻挡层、量子点红外吸收层、空穴传输层、量子点发光层和电子传输层,在电子传输层上蒸镀阴极层,封装得到所述纯量子点上转换发光器件。
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