CN111540837A

CN111540837A - 量子点发光器件和显示装置

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Publication number: CN111540837A
Application number: CN201910283014.1A
Authority: CN
Inventors: 苏亮
Original assignee: Guangdong Juhua Printing Display Technology Co Ltd
Current assignee: Guangdong Juhua Printing Display Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN111540837B

Abstract

本发明涉及一种量子点发光器件和显示装置。其中，量子点发光器件包括基板、第一电极、第二电极以及位于第一电极和第二电极之间的发光结构，所述发光结构包括量子点发光层、电子传输层，以及设置在所述量子点发光层和所述电子传输层之间的电子量子阱层；其中，所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述量子点发光层的材料的费米能级，且所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述电子传输层的材料的费米能级。本发明通过在量子点发光层和电子传输层之间设置电子量子阱层，能够促进电子和空穴平衡，提高量子点发光器件的稳定性和使用寿命。

Description

量子点发光器件和显示装置

技术领域

本发明涉及显示器件技术领域，特别是涉及一种量子点发光器件和显示装置。

背景技术

由于量子点独特的光学性质，例如发光波长随量子点的尺寸和成分连续可调，发光光谱窄，荧光效率高、稳定性好等，基于量子点的电致发光二极管(QLED)在显示领域得到广泛的关注和研究。此外，QLED显示还具有可视角大、对比度高、响应速度快、可柔性等诸多液晶显示器(LCD)所无法实现的优势，因而有望成为下一代的显示技术。

经过几十年的发展，QLED的性能取得了很大的进展，其中一个很重要的原因是采用了ZnO纳米颗粒作为电子传输材料。这是因为：(1)ZnO具有优异的电子导电性；(2)ZnO的导带底能级与量子点的导带底能级匹配，非常有利于电子注入；(3)ZnO的价带顶能级比量子点的价带顶能级深，具有优异的空穴阻挡和限制能力。但是，基于ZnO电子传输层的QLED存在比较严重的电荷不平衡问题，即电子数量远多于空穴数量；再加上ZnO与量子点的导带底能级接近，在没有正向偏压或很小正向偏压(<1V～2V)的情况下，电子便会自发地从ZnO向量子点转移或者转移量远多于空穴，导致量子点带负电，继而增大俄歇复合的几率，降低量子点荧光效率，这对QLED的稳定性和寿命非常不利。

为了解决这个问题，科研工作者已经从多个角度着手，例如：设计合金结构的量子点以减少充电状态量子点的俄歇复合几率；增加type-I型量子点的壳厚，或者选择足够宽带隙的壳层材料以阻止电子注入；在ZnO电子传输层和量子点发光层之间嵌入绝缘层以阻挡低电压下的电子转移；等等。这些工作推动了QLED工作机制的深入研究，也都取得了不错的效果。但总体上还是差强人意，并未很好地解决因过量的电子导致量子点充电的难题。

发明内容

基于此，有必要针对因过量的电子导致量子点充电的问题，提供一种量子点发光器件。

一种量子点发光器件，包括基板、第一电极、第二电极以及位于所述第一电极和第二电极之间的发光结构，所述发光结构包括量子点发光层、电子传输层，以及设置在所述量子点发光层和所述电子传输层之间的电子量子阱层；其中，所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述量子点发光层的材料的费米能级，且所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述电子传输层的材料的费米能级。

在其中一实施例中，电子量子阱层的材料的功函数大于4.5eV，或电子量子阱层的材料的费米能级大于4.5eV。

在其中一个实施例中，所述电子量子阱层的材料选自金属或半导体中的一种，所述金属的功函数大于4.5eV，所述半导体的费米能级大于4.5eV。

在其中一个实施例中，所述电子量子阱层的材料为功函数大于4.5eV的金属，所述金属选自W(钨4.5eV)、Ni(镍4.6eV)、Cr(铬4.6eV)、Cu(铜4.65eV)、Au(5.1eV)和Pt(5.65eV)中的至少一种。

在一实施例中，以功函数大于4.5eV的金属作电子量子阱层的材料时，所述电子量子阱层的厚度为1nm～3nm。

在其中一个实施例中，所述电子量子阱层的材料为费米能级大于4.5eV的半导体，所述半导体选自NiO(氧化镍)、Cu掺杂NiO(掺铜氧化镍)、ITO(氧化铟锡)、IZO(氧化铟锌)、MoO₃(三氧化钼)、WO₃(三氧化钨)、V₂O₅(五氧化二钒)和RbO₂(过氧化铷)中的至少一种。

进一步地，所述电子量子阱层的厚度为1nm～50nm。

在其中一个实施例中，所述量子点发光层的材料选自II-VI族化合物半导体纳米材料、III-V族化合物半导体纳米材料、I-III-VI族化合物半导体纳米材料、IV族单质半导体纳米材料和钙钛矿量子点中的一种。

在其中一个实施例中，所述电子传输层的材料选自无机纳米材料、掺杂无机纳米材料和有机材料中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述电子传输层的材料选自TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP中的至少一种，所述电子量子阱层的材料选自MoO₃、WO₃、V₂O₅和RbO₂中的至少一种。

本发明另一目的在于提供一种显示装置，包括上述量子点发光器件。

上述量子点发光器件通过在量子点发光层和电子传输层之间设置电子量子阱层，由于该电子量子阱层材料的功函数或费米能级大于量子点发光层材料和电子传输层材料的费米能级，根据热电子平衡理论，当电子量子阱层与量子点发光层接触时，电子会自发地由较低费米能级的量子点发光层向较高的功函数或费米能级的电子量子阱层转移，有效地避免零偏压下电子自发地由电子传输层向量子点发光层转移造成的量子点带负电的问题，或者减少正向偏压下电子从电子传输层向量子点发光层的转移量，避免量子点中由于电子过量带来的量子点充电的现象，促进电子和空穴平衡；而且，电子量子阱层的能级结构能够减缓量子点发光器件通电情况下电子传输至量子点发光层的速度、减少运动至量子点的电子数目，可以促进电荷平衡；另外，量子点发光器件通电之后，较高功函数或费米能级的电子量子阱层材料，能够吸引一部分电子由量子点发光层向电子量子阱层转移，以使量子点带正电，而带正电的量子点也有利于提高器件的稳定性；因此，本发明上述量子点发光器件通过在量子点发光层和电子传输层之间设置电子量子阱能够有效提高量子点发光器件的稳定性和寿命。

附图说明

图1为本发明一实施方式的QLED器件的结构示意图；

图2为本发明一实施例的QLED器件的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的QLED器件的结构示意图；

图4为本发明一实施例的QLED器件中发光结构的能级结构示意图；

图5为本发明另一实施例的QLED器件中发光结构的能级结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本发明一实施方式提供的一种QLED器件10，包括基板1、层叠设置于基板1上的第一电极2和第二电极4，以及设于第一电极2和第二电极4之间的发光结构3。

可理解，第一电极2和第二电极4中的一个可作为阳极，另一个可作为阴极。例如，在图2所示的实施例中，第一电极120作为阳极，第二电极140作为阴极；在图3所示的实施例中，第一电极220作为阴极，第二电极240作为阳极。

具体地，第一电极2或第二电极4的材料可以是透明或半透明导电材料，例如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)等；也可以是不透明的金属材料，例如镁、铝、银、镁银合金等。可以理解，当以不透明金属材料为第一电极材料(阳极)，透明或半透明导电材料为第二电极材料(阴极)时，QLED器件为正式结构，即顶发射QLED器件；当以透明导电材料为第一电极材料(阴极)，以不透明金属材料为第二电极材料(阳极)时，QLED为反式结构，即底发射QLED器件。

发光结构3包括量子点发光层31、电子传输层33，以及设置在量子点发光层31和电子传输层33之间的电子量子阱层32；其中，电子量子阱层32的材料的功函数或费米能级大于量子点发光层31的材料的费米能级，且电子量子阱层33的材料的功函数或费米能级大于电子传输层33的材料的费米能级。

上述QLED器件10通过在量子点发光层31和电子传输层33之间设置电子量子阱层32，由于该电子量子阱层32材料的功函数或费米能级大于量子点发光层31材料和电子传输层33材料的费米能级，根据热电子平衡理论，当电子量子阱层32与量子点发光层31接触时，电子会自发地由较低费米能级的量子点发光层31材料向较高功函数或费米能级的电子量子阱层32材料转移，改变原来电子自发地向量子点转移的问题，可以有效的避免量子点中由于电子过量带来的量子点充电现象，促进电子和空穴平衡；而且QLED器件10通电之后，电子量子阱层32的能级结构能够减缓电子传输至量子点的速度、减少运动至量子点的电子数目，可以促进电荷平衡；另外，QLED器件10通电之后够吸引一部分电子由量子点发光层31向电子量子阱层32转移，以使量子点带正电，而带正电的量子点有利于提高QLED器件的稳定性。因此，具有上述结构的QLED器件的稳定性高、寿命长。

进一步地，电子量子阱层32位于量子点发光层靠近QLED出光方向的一侧。

在一实施例中，QLED发光结构3还包括空穴注入层、空穴传输层和电子注入层中的至少一层；并且空穴注入层或空穴传输层位于量子点发光层远离QLED出光方向的一侧，电子注入层位于量子点发光层靠近QLED出光方向的一侧。

具体地，请参见图2，示出了本发明一实施例提供的一种正式结构QLED器件100，该正式结构QLED器件100包括依次层叠在基板110上的第一电极120、QLED发光结构130和第二电极140。

其中，第一电极120作为阳极，第二电极140作为阴极。

QLED发光结构130包括依次层叠在第一电极120上的空穴注入层131、空穴传输层132、量子点发光层133、电子量子阱层134和电子传输层135。

请参见图3，示出了本发明另一实施例提供的一种反式结构QLED器件200，该反式结构QLED器件200包括依次层叠在基板210上的第一电极220、QLED发光结构230和第二电极240。

其中，第一电极220作为阳极，第二电极240作为阴极。

QLED发光结构230包括依次层叠在第一电极220上的电子传输层231、电子量子阱层232、量子点发光层233、空穴传输层234和空穴注入层235。

在一实施例中，量子点发光层的材料选自II-VI族化合物半导体纳米材料、III-V族化合物半导体纳米材料、I-III-VI族化合物半导体纳米材料、IV族单质半导体纳米材料和钙钛矿量子点中的一种。

进一步地，II-VI族化合物半导体包括CdSe、ZnCdS、CdSeS、ZnCdSeS、CdSe/ZnS、CdSeS/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/CdS/ZnS、ZnCdS/ZnS、CdS/ZnS和ZnCdSeS/ZnS等；III-V族化合物半导体包括InP、InP/ZnS等；I-III-VI族化合物半导体包括CuInS、AgInS、CuInS/ZnS、AnInS/ZnS等；IV族单质半导体包括Si(硅)、C(碳)、石墨烯(Graphene)等。在一实施例中，电子传输层的材料选自无机纳米材料、掺杂无机纳米材料和有机材料中的至少一种。

进一步地，无机纳米材料可以为纳米TiO₂、纳米ZnO等；掺杂无机纳米材料可以为掺杂的纳米ZnO，其中掺杂剂包括Mg、Al、Ga、Y和Li等中的至少一种；有机材料可以为TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP中的至少一种。

具体地，TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP的结构式分别如下：

在一实施例中，电子量子阱层的材料为功函数大于4.5eV的金属，电子量子阱层的厚度为1nm～3nm。

由于金属薄膜的透明度受其厚度的影响显著，综合考虑到发光器件要求各功能薄膜具有很高的透明度和电子量子阱层的作用，因此，以金属作为电子量子阱层的材料，电子量子阱的厚度优选1nm～3nm。

在一实施例中，金属可以是三维体纳米材料，也可以是二维纳米材料。

进一步地，电子量子阱层的材料选自W、Ni、Cr、Cu、Au和Pt中的至少一种。

可以理解，电子量子阱层的材料可为上述金属中的一种，也可以为上述两种或两种以上金属混合物或合金。以金属混合物或合金为材料，其功函数介于所包含的元素功函数之间，比如Ni的功函是4.6eV，Au的功函是5.1eV，那么二者合金的功函会在4.6～5.1之间，并且可通过具体的混合比例而对功函数进行调整。

请参见图4，示出了本发明一实施例的QLED发光结构的能级结构示意图，其中，量子点发光层301的材料的费米能级小于4.5eV，量子点发光层301和电子传输层303之间的电子量阱层302的材料为功函数大于4.5eV金属，电子传输层303的材料为无机纳米材料、掺杂无机纳米材料或有机材料，其费米能级也小于4.5eV。

由于量子点和电子传输层材料如纳米ZnO等材料的费米能级小于4.5eV，当电子量子阱层与量子点发光层和电子传输层接触时，电子会自发地从低功函数或费米能级的材料向高功函数或费米能级的材料转移，因此，在该结构中，电子会从量子点发光层向量子阱层转移，使得量子点带正电，当量子点发光器件通电以后，量子点先逐渐恢复中性，然后再因电子过量而带负电。该过程中增加的恢复中性的过程有利于减轻量子量在器件通电以后的充电效应，从而有利于提高器件的稳定性和寿命。

在另一实施例中，电子量子阱层的材料为费米能级大于4.5eV的半导体，电子量子阱层的厚度为1nm～50nm。

进一步地，电子量子阱层的材料选自NiO、Cu掺杂NiO、ITO、IZO、MoO₃、WO₃、V₂O₅和RbO₂中的至少一种。

请参见图5，示出了本发明另一实施例的QLED发光结构的能级结构示意图，其中，量子点发光层401的材料的费米能级小于4.5eV，量子点发光层401和电子传输层403之间的电子量阱层402的材料为金属氧化物半导体，电子传输层403的材料为无机纳米材料、掺杂无机纳米材料或有机材料，其费米能级也小于4.5eV。

由于当不同费米能级的材料相接触时，电子会自发地从低费米能级的材料向高费米能级的材料转移。因此，电子会从量子点发光层向量子阱层转移，使得量子点带正电，当量子点发光器件通电以后，量子点先逐渐恢复中性，然后再因电子过量而带负电。该过程中增加的恢复中性的过程有利于减轻量子点在器件通电以后的充电效应，有利于提高器件寿命。

在一实施例中，电子传输层的材料选自TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP中的至少一种，所述电子量子阱层的材料选自MoO₃、WO₃、V₂O₅和RbO₂中的至少一种。

本发明另一实施方式提供一种QLED器件的制作方法，该方法包括以下步骤：

提供基板，在基板上形成第一电极。其中，基板可以是玻璃基板或塑料基板等；第一电极的材料可以是透明导电材料或不透明的金属材料，第一电极可以采用蒸镀等方法形成。

在第一电极层上形成发光结构，发光结构包括是量子点发光层、电子量子阱层和电子传输层。可以理解，发光结构中各层的形成顺序由QLED器件的出光类型来决定的，当QLED器件为正式结构时，于第一电极上形成各层的先后顺序依次为量子点了光层、电子量子阱层和电子传输层，反之，当QLED器件为反式结构时，于第一电极上形成各层的先后顺序依次为电子传输层、电子量子阱层和量子点发光层。

其中，量子点材料可以是II-VI族化合物半导体，例如：CdSe、ZnCdS、CdSeS、ZnCdSeS、CdSe/ZnS、CdSeS/ZnS、CdSe/CdS、CdSe/CdS/ZnS、ZnCdS/ZnS、CdS/ZnS、ZnCdSeS/ZnS等；可以是III-V族化合物半导体，例如：InP、InP/ZnS等；可以是I-III-VI族化合物半导体，例如：CuInS、AgInS、CuInS/ZnS、AnInS/ZnS等；可以是IV族单质半导体，如Si或C或Graphene等；也可以是钙钛矿量子点等。因此，可以采用喷墨打印等溶液法沉积量子点发光层。

电子量子阱层的材料可以是W、Ni、Cr、Cu、Au、Pt等功函数大于4.5eV的金属，也可以是NiO、Cu-掺杂NiO、ITO、IZO、MoO₃、WO₃、V₂O₅、RbO₂等费米能级大于4.5eV的半导体，可以采用喷墨打印等溶液法或蒸镀法等沉积电子量子阱层。

电子传输层的材料可以是无机纳米材料、掺杂无机纳米材料或有机材料，可采用喷墨打印等溶液法或蒸镀法等进行沉积。本发明还提供一种包括上述QLED器件的显示装置。

以下为具体实施例

实施例1

一种QLED器件，包括基板、依次层叠在基板上的阳极、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子量子阱层、电子传输导和阴极。其中，量子点发光层的材料为CdSe/ZnS，电子量子阱层的材料为Au纳米线，电子传输层的材料为纳米ZnO。

QLED器件的制作方法如下：

(1)以基板上沉积透明导电薄膜ITO作为阳极，厚度为50nm；

(2)在阳极上利用溶液法沉积PEDOT:PSS作为空穴注入层，厚度为30nm；

(3)在空穴注入层上利用溶液法沉积TFB作为空穴传输层，厚度为30nm；

(4)在空穴传输层上利用溶液法沉积CdSe/ZnS作为量子点发光层，厚度为30nm；

(5)在量子点发光层上利用溶液法沉积Au纳米线作为电子量子阱层，厚度为3nm；

(6)在电子量子阱层上利用溶液法沉积ZnO作为电子传输层，厚度为40nm；

(7)在电子传输层上蒸镀Ag作为阴极，厚度为100nm。

实施例2

一种QLED器件，包括依次层叠在基板上的阴极、电子传输层、电子量子阱层、量子点发光层、空穴传输层、空穴注入层和阳极。其中，量子点发光层的材料为CdSe/ZnS，电子量子阱层的材料为IZO，电子传输层的材料为纳米ZnO。

QLED器件的制作方法如下：

(1)在基板上沉积透明导电薄膜ITO作为阴极，厚度为50nm；

(2)在阴极上利用溶液法沉积ZnO作为电子传输层，厚度为50nm；

(3)在电子传输层上利用溶液法沉积IZO作为电子量子阱层，厚度为15nm；

(4)在电子量子阱层上利用溶液法沉积CdSe/ZnS作为量子点发光层，厚度为30nm；

(5)在量子点发光层上利用蒸镀法沉积TCTA作为空穴传输层，厚度为30nm；

(6)在空穴传输层上利用蒸镀法沉积HAT-CN作为作为空穴注入层，厚度为10nm；

(7)在空穴注入层上利用蒸镀法沉积Ag作为阳极，厚度为100nm。

实施例3

一种QLED器件，包括依次层叠在基板上的阳极、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子量子阱层、电子传输导和阴极。其中，量子点发光层的材料为CdSe/ZnS，电子量子阱层的材料为MoO₃，电子传输层的材料为TmPyPb。

QLED器件的制作方法如下：

(1)在基板上沉积透明导电薄膜ITO作为阳极，厚度为50nm；

(5)在量子点发光层上利用蒸镀法沉积MoO₃作为电子量子阱层，厚度为15nm；

(6)在电子量子阱层上利用蒸镀法沉积TmPyPb作为电子传输层，厚度为30nm；

(7)在电子传输层上利用蒸镀法沉积LiF作为电子注入层，厚度为1nm；

(8)在电子注入层上利用蒸镀法沉积Al作为阴极，厚度为100nm。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于，QLED器件结构中无电子量子阱层，具体地，对比例1的器件结构包括基板、依次层叠在基板上的阳极、空穴注入层、空穴传输层、量子点发光层、电子传输导和阴极。其中，量子点发光层的材料为CdSe/ZnS，电子传输层的材料为纳米ZnO。

制作方法如下：

(1)以基板上沉积透明导电薄膜ITO作为阳极，厚度为50nm；

(5)在量子点发光层上利用溶液法沉积ZnO作为电子传输层，厚度为40nm；

(6)在电子传输层上蒸镀Ag作为阴极，厚度为100nm。

器件性能测试

对实施例1～3和对比例1的器件性能进行测试，结果见下表。

	寿命T<sub>90</sub>(1000cd/m<sup>2</sup>)
		实施例1	1300h
实施例2	1200h
		实施例3	1000h
对比例1	700h

T90(1000cd/m2)表示QLED在恒流驱动下，以1000cd/m2为初始亮度，一直点亮，直至亮度衰减至初始亮度的90％时，所用的时间。

由上表可知，相较于对比例1，本发明实施例1～3的QLED器件的稳定性得到提高，其使用寿命得到明显延长。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种量子点发光器件，其特征在于，包括基板、第一电极、第二电极以及位于所述第一电极和第二电极之间的发光结构，所述发光结构包括量子点发光层、电子传输层和设置在所述量子点发光层和所述电子传输层之间的电子量子阱层；其中，所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述量子点发光层的材料的费米能级，且所述电子量子阱层的材料的功函数或费米能级大于所述电子传输层的材料的费米能级。

2.根据权利要求1所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子量子阱层的材料的功函数大于4.5eV，或所述电子量子阱层的材料的费米能级大于4.5eV。

3.根据权利要求2所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子量子阱层的材料为功函数大于4.5eV的金属，所述金属选自W、Ni、Cr、Cu、Au和Pt中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子量子阱层的厚度为1nm～3nm。

5.根据权利要求2所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子量子阱层的材料为费米能级大于4.5eV的半导体，所述半导体选自NiO、Cu掺杂NiO、ITO、IZO、MoO₃、WO₃、V₂O₅和RbO₂中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子量子阱层的厚度为1nm～50nm。

7.根据权利要求1所述的量子点发光器件，其特征在于，所述量子点发光层的材料选自II-VI族化合物半导体纳米材料、III-V族化合物半导体纳米材料、I-III-VI族化合物半导体纳米材料、IV族单质半导体纳米材料、和钙钛矿量子点中的一种。

8.根据权利要求1所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子传输层的材料选自TiO₂、ZnO、掺杂的ZnO、TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP中的至少一种。

9.根据权利要求1～8任一项所述的量子点发光器件，其特征在于，所述电子传输层的材料选自TPBi、B₃PyMPM、TmPyPB、Bphen和BCP中的一种，所述电子量子阱层的材料选自MoO₃、WO₃、V₂O₅和RbO₂中的至少一种。

10.一种显示装置，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的量子点发光器件。