DE102019101217A1 - Quantenmaterialien mit verbessertem Ladungstransport zur Verwendung in optoelektronischen Halbleiterelementen - Google Patents

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Quantenmaterial umfassend:einen Quantenpunkt mit mindestens einem Liganden, wobei mindestens einer der Liganden umfasst:eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind,wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst.Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quantenmaterials, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement, sowie die Verwendung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements.

Description

• In optoelektronischen Halbleiterbauelementen können für die Emission von Licht Quantenmaterialien verwendet werden, die in eine Bauteilarchitektur eingebunden sind, die der der OLED (organische Leuchtdiode) ähnelt. Jedoch zeigen derartige optoelektronische Halbleiterbauelemente, in denen die Quantenmaterialien elektrisch angeregt werden, häufig schlechte Leistungsdaten und eine unzureichende Emission von Licht, was auch auf einen unzureichenden Ladungstransport positiver und/oder negativer Ladungsträger zum Quantenmaterial (QM) und, daraus resultierend, mangelhafter Rekombination der Ladungsträger auf dem Quantenmaterial schließen lässt. Dies gilt im Besonderen für Cadmium-freie Quantenmaterialien.
• Um die Lichtemission mittels elektrischer Anregung bei Quantenmaterialien nutzen zu können ist ein ausgeglichener Ladungstransport von positiven und negativen Ladungsträgern zum Quantenmaterial notwendig. Dies kann z. B. durch eine Bauteilarchitektur realisiert werden, die z. B. der der OLED ähnlich ist und neben der Emissionsschicht funktionale Schichten enthält, die den Ladungstransport im und die Ladungsinjektion in das optoelektronische Halbleiterbauelement gewährleistet. Bei der OLED kann diese Bauteilarchitektur z. B. durch Aufdampfen der Materialien zu einem Schichtstapel erzeugt werden. Die zumeist anorganischen Quantenmaterialien lassen sich jedoch durch Aufdampfen nicht in einen solchen Schichtstapel einbringen, da sie sich unter den Bedingungen des Aufdampfen zersetzen oder die Aufdampftemperatur so hoch wäre, dass die Integrität des Bauteils nicht mehr gewährleistet ist. Als Alternative zum Aufdampfen bietet sich eine Methode der Flüssigprozessierung zur Erzeugung des Schichtstapels an, wobei hier unterschiedliche Ansätze, wie z. B. Aufschleudern, Rakeln, Spritzlackieren, Tintenstrahldrucken etc., denkbar sind. Es ist möglich alle funktonalen Schichten durch Flüssigprozessierung zu erzeugen oder aber auch nur Teile des Schichtstapels (sog. hybrider Ansatz).
• Um eine Flüssigprozessierung der Quantenmaterialien zu ermöglichen, müssen die Quantenmaterialien in einer Tinte vorliegen, in der die Quantenmaterialien zumeist in einem organischen Lösemittel oder Lösemittelgemisch suspendiert oder dispergiert sind. Um die Quantenmaterialien wiederum stabil und gleichmäßig in einer Tinte suspendieren oder dispergieren zu können, benötigen diese eine zumeist organische Schicht (eine sogenannte Ligandenhülle), die eine stabile Dispersion oder Suspension der Quantenmaterialien in einem für die Flüssigprozessierung geeigneten Lösemittel(gemisch) ermöglicht.
• Solche organischen Ligandenhüllen bestehen zumeist aus an der äußeren anorganischen Schale des Quantenpunkts anhaftenden Reste organischer Säuren, wie z. B. Caprylaten, Oleaten, Stearaten, Palmitaten, Myristaten und/oder anderer langkettiger Carbonsäureanionen, aber auch aus z. B. langkettigen, aliphatischen Alkoholaten, Thiolaten oder Trialkylphosphiten. Nachteil derartiger Liganden, die zumeist aus gesättigten langkettigen Kohlenwasserstoffketten bestehen, ist jedoch, dass sie den Ladungstransport zum eigentlichen Kern des Quantenmaterials, dem Quantenpunkt, nicht oder nur sehr eingeschränkt unterstützen und somit die elektrische Anregung des Quantenpunkts negativ beeinflussen bzw. unterdrücken.
• Es sind Konzepte bekannt, in denen Molekülstrukturen mit Ladungstransporteigenschaften (hier vor allem mit Lochtransporteigenschaften) und langkettigen Carbonsäureanionen kombiniert werden, um eine verbesserte Rekombinationsrate der Ladungsträger auf dem Quantenmaterial und damit einhergehender Emission diskreter Wellenlänge zu erzielen. Diese Konzepte zeigen bislang jedoch keine Verbesserung der Leistungsdaten der Quantenmaterialien in optoelektronischen Halbleiterbauelementen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es also, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein neues Quantenmaterial, ein neues Verfahren zur Herstellung eines Quantenmaterials, ein neues optoelektronisches Halbleiterbauelement, sowie die Verwendung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements zur Verfügung zu stellen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Quantenmaterial nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Quantenmaterials nach Anspruch 13, ein optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, sowie die Verwendung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements nach Anspruch 15. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Quantenmaterial umfassend:
• einen Quantenpunkt mit mindestens einem Liganden, wobei mindestens einer der Liganden umfasst:
  • eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind,
wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst.
• Unter einem Quantenpunkt im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man eine nanoskopische Materialstruktur, bei der es sich häufig um ein Halbleitermaterial handelt. Quantenpunkte können eine sogenannte Kern-Hülle-Architektur (Core-Shell-Architektur) aufweisen. Dabei beträgt der Energieunterschied der Bandlücke zwischen dem Core-Halbleitermaterial und dem Shell-Material z. B. 0,5 eV. Die Bandlücke des Hülle-Materials ist bevorzugt größer als die des Kern-Materials. Als Halbleitermaterial für das Hülle-Material kann z. B. CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, Zn Te, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AIP, AlAs, AISb, InP, InAs, InSb, SiC, InN, AIN oder deren Mischkristalle (ternär, quaternär, etc.) oder eine Kombination von mehreren unterschiedlichen Halbleitermaterialien verwendet werden.
• Als Halbleitermaterial für den Kern kann z. B. InP, CdSe, CdS, CuInS, CulnSe oder PbS verwendet werden.
• In einer Ausführungsform umfasst der mindestens eine Quantenpunkt ein oder mehrere Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PbS, HgSe, HgTe, CulnS, CulnSe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgTe, HgSe, GaP, GaAs, GaSb, AIP, AlAs, AISb, InP, InAs, InSb, GaSb, SiC, InN, AIN, GaN, BN, ZnO, MgO, InSnO₂, SnO₂, oder Kombinationen davon. In einem Aspekt dieser Ausführungsform weist der Quantenpunkt nur einen Kern auf und keine Hülle. Vorzugsweise weist der Quantenpunkt im Kern mindestens eines der vorgenannten Materialien auf.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst der mindestens eine Quantenpunkt ein oder mehrere Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InP/ZnSe-, InP/ZnS-, InP/ZnS/ZnSe-, CdS/ZnS-, CdS/ZnSe-, CdSe/ZnS-, CdSe/ZnSe-, CdS/ZnS/ZnSe-, CdSe/ZnS/ZnSe-, CuInS/CuInSe-Gemischen (sog. Alloys). In einem Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Quantenpunkt eines oder mehrere dieser Materialien in der Hülle. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform umfasst der Quantenpunkt eines oder mehrere dieser Materialien im Kern. In einem weiteren Aspekt dieser Ausführungsform weist der Quantenpunkt nur einen Kern und keine Hülle auf.
• Bevorzugte Quantenpunkte umfassen z. B. CdSe, CdS, InP, ZnSe, ZnS, PbS, CuInS, CuInSe.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Quantenmaterial mindestens einen Liganden, wobei mindestens einer der Liganden eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe umfasst, die über eine Brücke miteinander verbunden sind.
• In einer Ausführungsform umfasst das Quantenmaterial mindestens zwei Liganden, die jeweils eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe umfassen, wobei die jeweils erste funktionelle Gruppe mit der jeweils zweiten funktionellen Gruppe über eine Brücke miteinander verbunden sind.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Quantenmaterial mindestens einen Liganden, wobei mindestens einer der Liganden eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe umfasst, die über eine Brücke miteinander verbunden sind und mindestens einen weiteren organischen Liganden.
• Die erste funktionelle Gruppe ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie eine Bindung zum Quantenpunkt, vorzugsweise mit der Hülle des Quantenpunkts bei einem Kern-Hülle-Aufbau des Quantenpunkts, eingehen kann.
• In einer Ausführungsform ist also die erste funktionelle Gruppe des Liganden an den Quantenpunkt gebunden.
• In einer Ausführungsform handelt es sich bei der ersten funktionellen Gruppe um einen Carboxylat-Rest, Thiocarboxylat-Rest, oder einen Thiolat-Rest. Ein Carboxylat weist allgemein die Struktur R-C(O)O- auf, ein Thiocarboxylat weist allgemein die Struktur R-C(O)S- auf und ein Thiolat weist allgemein die Struktur R-S- auf. Bei einem Carboxylat erfolgt die Bindung an den Quantenpunkt durch den Sauerstoff, bei einem Thiocarboxylat erfolgt die Bindung an den Quantenpunkt durch den Schwefel, bei einem Thiolat erfolgt die Bindung durch den Schwefel an den Quantenpunkt. Durch den Buchstaben „R“ wird die weitere Struktur des Liganden allgemein dargestellt und durch -C(O)O-, -C(O)S- bzw. -S- wird die erste funktionelle Gruppe gekennzeichnet.
• In einer weiteren Ausführungsform kann es sich bei der ersten funktionellen Gruppe auch um eine Triarylphosphit-Gruppe handeln.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst der Ligand auch eine zweite funktionelle Gruppe.
• In einer Ausführungsform weist die zweite funktionelle Gruppe des Liganden eine Lochtransportstruktur oder eine Elektronentransportstruktur auf. Unter einer Lochtransportstruktur versteht man eine Struktur, deren Hauptaufgabe es ist positive Ladungen zu transportieren und die z. B. eine oder mehrere Triarylamino- oder Carbazolyl-Gruppe(n) aufweist. Unter einer Elektronentransportstruktur versteht man eine Struktur, deren Hauptaufgabe es ist Elektronen zu transportieren und die z. B. eine oder mehrere Pyridyl- oder Imidazolyl-Gruppe(n) aufweist.
• Durch die Wahl der zweiten funktionellen Gruppe kann der Transport von negativen oder positiven Ladungsträgern zum Quantenpunkt beeinflusst werden. Beispielsweise kann durch die Wahl eines sogenannten Lochtransportmaterials als zweite funktionelle Gruppe der Transport von positiven Ladungsträgern zum Quantenpunkt verbessert werden. Durch die Wahl eines sogenannten Elektronentransportmaterials als zweite funktionelle Gruppe kann der Transport von negativen Ladungsträgern zum Quantenpunkt verbessert werden.
• Bei der zweiten funktionellen Gruppe kann es sich um eine aromatische Gruppe handeln. Ganz allgemein wird unter einer aromatischen Gruppe ein System verstanden, bei dem alle Atome sp²-hybrisiert sind. In einem Aspekt dieser Ausführungsform handelt es sich bei der zweiten funktionellen Gruppe um eine heterozyklische aromatische (, d.h. Heteroaryl) Gruppe, wobei es sich bei dem Heteroatom um Stickstoff, Sauerstoff, oder Schwefel handelt. Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten funktionellen Gruppe um eine N-Heteroaryl-Einheit. Die zweite funktionelle Gruppe kann also ein Derivat von Azol, Diazol (z. B. Imidazol, Pyrazol), Carbazol, Triazol, Tetrazol, Azin (z. B. Pyridin), Diazin (z. B. Pyrimidin), Triazin, Tetrazin, Azepin, Diazepin, Oxazol, Dioxazol, Benzimidazol oder Indol umfassen.
• In einer Ausführungsform handelt es sich bei der zweiten funktionellen Gruppe um eine optional substituierte Aryl- oder Heteroaryl-Einheit (z. B. N-Heteroaryl-Einheit). Die Substituenten können ausgewählt sein aus Alkyl (z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl), Aryl (z. B. Phenyl), Halogen (z. B. Fluor, Chlor, Brom, Iod) oder CN und andere.
• In einer Ausführungsform ist die zweite funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 3,5-Bis(N-carbazolyl)phenyl, 2,6-Bis(9H-carbazol-9-yl)pyrid-4-yl, 4,4'-Bis[N,N-bis(4-methylphenyl)benzolamin]cyclohexylidenyl, 4,4'-Bis[2-naphthyl(phenyl)amino]diphenylamin, Bis(4-carbazoyl-9-ylphenyl)amin, Bis[4-(diethylamino)phenyl]amin, 3,5-Bis(diphenylamino)phenyl, 3,5-Bis[(3-methylphenyl)phenylamino]phenyl, 4,4'-Bis[2-naphthyl(phenyl)amino]triphenylamin, 4,4'-Bis[phenyl(m-tolyl)amino]triphenylamin und Di-p-tolylamin. Bei den vorgenannten Gruppen handelt es sich um Gruppen, die insbesondere für den Lochtransport geeignet sind. Mit anderen Worten, können mit den genannten Gruppen insbesondere positiv geladene Ladungsträger zum Quantenpunkt transportiert werden.
• Besonders bevorzugte zweite funktionelle Gruppen sind 3,5-Bis(N-carbazolyl)phenyl, 3,5-Bis(diphenylamino)phenyl, 2,6-Bis(9H-carbazol-9-yl)pyrid-4-yl, 3,5-Bis(diphenylamino)phenyl, 1,4-Bis(diphenylamino)phenyl, Di-p-tolylamin.
• In einer Ausführungsform ist die zweite funktionelle Gruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Di[3-(3-pyridyl)mesityl]boranyl, 4,6-Bis(3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-pyrimidin-2-yl, 3,5-Bis(3,5-dipyrid-3-ylphenyl)phenyl, 3,5-Di(m-pyridin-3-ylphenyl)phenyl und 3,5-Di[(1-phenyl)-1-H-benzimidazol-2-yl]phenyl. Bei den vorgenannten Gruppen handelt es sich um Reste, die insbesondere für den Elektronentransport geeignet sind. Mit anderen Worten, können mit den genannten Gruppen insbesondere negativ geladene Ladungsträger zum Quantenpunkt transportiert werden.
• Besonders bevorzugte zweite funktionelle Gruppen sind 3,5-Bis(3,5-dipyrid-3-ylphenyl)phenyl, 4,6-Bis(3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-pyrimidin-2-yl, 3,5-Di(m-pyridin-3-ylphenyl)phenyl und 3,5-Di[(1-phenyl)-1-H-benzimidazol-2-yl]phenyl.
• In einer Ausführungsform umfasst ein Quantenmaterial mindestens einen Liganden mit einer zweiten funktionellen Gruppe, die für einen Elektronentransport geeignet ist und mindestens einen Liganden mit einer zweiten funktionellen Gruppe, die zum Lochtransport geeignet ist.
• Ein Quantenmaterial kann somit in einer Ausführungsform umfassen:
• einen Quantenpunkt mit mindestens zwei Liganden, wobei die mindestens zwei Liganden jeweils umfassen:
  • eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind,
wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst;
wobei in mindestens einem Liganden die zweite funktionelle Gruppe eine Elektronentransportstruktur aufweist und
wobei in mindestens einem Liganden die zweite funktionelle Gruppe eine Lochtransportstruktur aufweist.
• Die funktionellen Gruppen mit Elektronentransportstruktur und die funktionellen Gruppen mit Lochtransportstruktur können aus den vorgenannten Gruppen ausgewählt sein.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die ersten funktionellen Gruppen mit den zweiten funktionellen Gruppen über eine Brücke miteinander verbunden. Die Brücke umfasst ein System konjugierter Doppelbindungen. Unter konjugierten Doppelbindungen versteht man im Rahmen der Erfindung eine Ansammlung von mindestens zwei C=C-Doppelbindungen. Ganz allgemein kann es sich also bei der Brücke um eine Alken- (Poly-en)-Gruppe oder eine aromatische Gruppe handeln, die jeweils ein System konjugierter Doppelbindungen aufweisen.
• In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Brücke mindestens ein Heteroatom, wobei es sich bei dem Heteroatom um Stickstoff, Sauerstoff oder Schwefel handeln kann. Bevorzugt handelt es sich bei dem Heteroatom um Stickstoff.
• Die Brücke kann ganz allgemein die Formel R₁-R₂-R₃ aufweisen, wobei R₁ an die erste funktionelle Gruppe gebunden ist und R₃ an die zweite funktionelle Gruppe gebunden ist. R₁ kann dabei unabhängig ausgewählt sein aus C_x-Alkyl, C_x-Heteroalkyl, C_x-Aryl, C_x-Heteroaryl, wobei x ausgewählt ist aus 0-10, vorzugsweise 3-6, weiter bevorzugt 3-5. R₂ kann dabei unabhängig (-C=C-)_n sein, wobei n ausgewählt ist aus 0-10, vorzugsweise 3-9, weiter bevorzugt 4-5. R₃ kann dabei unabhängig ausgewählt sein aus C_y-Alkyl, C_y-Heteroalkyl, C_y-Aryl, C_y-Heteroaryl, wobei y ausgewählt ist aus 0-18, vorzugsweise 1-12, weiter bevorzugt 2-6.
• In einer Ausführungsform umfasst die Brücke mindestens ein aromatisches System.
• Beispielhaft kann es sich bei der Brücke um eine optional substituierte Phenyl-/Pyridyl-, eine optional subsituierte Phenyl-Pyridyl-Gruppe oder eine optional substituierte Biphenyl-/Bipyridyl-Gruppe handeln, wobei die Gruppen, keinen, einen, oder mehrere Substituenten aufweisen können. Optionale Substituenten können ein aliphatischer Rest, ein Halogen, OH, CN, NO₂, OCH₃, OAlkyl oder CF₃ sein.
• Die Brücke kann in einer Ausführungsform Gruppen mit Lochtransportfunktion aufweisen, wie z. B. eine Phenyl- oder eine Biphenyl-Gruppe.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Brücke eine Gruppe mit Lochtransportfunktion und die zweite funktionelle Gruppe eine Lochtransportfunktion auf.
• In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Brücke eine Gruppe mit Elektronentransportfunktion und die zweite funktionelle Gruppe eine Elektronentransportfunktion auf.
• Beispielhafte Gruppen für eine Kombination von einer erste funktionellen Gruppe und einer Brücke sind Derivate von Phenylcarbonsäuren (z. B. Benzoesäure und Pyridincarbonsäuren). Beispiele für Phenylcarbonsäuren auf Basis von Benzoesäure sind trans-Zimtsäure und deren substituierte Derivate wie z. B. Trans-2-nitrozimtsäure oder Trans-2-trifluormethylzimtsäure, Beispiele für Pyridincarbonsäuren sind Derivate von Picolinsäure, Derivate von Nicotinsäure und Derivate von Isonicotinsäure.
• Vorzugsweise ist an den Quantenpunkt mindestens ein weiterer organischer Ligand gebunden.
• Bei dem organischen Liganden kann es sich um einen optional substituierten aliphatischen oder optional substituierten aromatischen Liganden handeln. Unter einem optional substituierten aliphatischen Liganden wird ein Ligand verstanden, der ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, nicht aromatisch ist und optional z. B. mit mindestens einem aliphatischen Rest, einem Halogen, OH, CN, NO₂, OCH₃, OAlkyl, und/oder CF₃ substituiert ist. Unter einem optional substituierten aromatischen Liganden, wird ein Ligand verstanden, der mindestens eine aromatische Gruppe aufweist. Es kann sich hierbei z. B. um eine heteroaromatische, oder um eine rein kohlenstoffhaltige aromatische Gruppe handeln. Die aromatische Gruppe kann ferner z. B. mit mindestens einem aliphatischen Rest, einem aromatischen Rest, einem Halogen, OH, CN, NO₂, OCH₃, OAlkyl, und/oder CF₃ substituiert sein. In einer Ausführungsform ist an den Quantenpunkt mindestens ein optional substituierter aliphatischer und mindestens ein optional substituierter aromatischer Ligand gebunden.
• Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Quantenmaterials, umfassend die Schritte:
• - bereitstellen mindestens eines Quantenpunkts,
• - in Kontakt bringen des mindestens einen Quantenpunkts mit einer Ligandvorstufe umfassend eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst, gerichtet.
• Auch in der Literatur werden Verfahren zur Herstellung von Quantenmaterialien beschrieben (z. B. „Design of High Performance Indium Phosphide (InP) - based Quantum Dot Light Emitting Diodes (QLEDs)“,Yohan KIM, Dissertation, Berlin 2018).
• Bei dem Quantenmaterial, dem Quantenpunkt, den funktionellen Gruppen und der Brücke kann es sich um die hierin genannten Ausführungsformen handeln.
• In einer Ausführungsform wird der Quantenpunkt in einem geeigneten Lösungsmittel vorgelegt und mit einer Ligandvorstufe in Kontakt gebracht. Bei einer Ligandvorstufe kann es sich um einen Liganden, wie er hierin beschrieben wird, handeln, der zusätzlich eine Abgangsgruppe aufweist. Somit weist eine Ligandvorstufe im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine erste funktionelle Gruppe, eine zweite funktionelle Gruppe, eine Brücke und eine Abgangsgruppe auf.
• Ganz allgemein wird unter einer Abgangsgruppe eine chemische Gruppe, ein Molekülfragment, ein Kation oder ein Anion verstanden, das während einer chemischen Reaktion abgespalten wird. Bei der Abgangsgruppe kann es sich z. B. um ein H⁺, Na⁺, K⁺, Li⁺ und NH₄ ⁺ handeln.
• Beim Inkontaktbringen der Ligandvorstufe mit dem Quantenpunkt wird die Abgangsgruppe abgespalten und der Ligand so an den Quantenpunkt gebunden. Vorzugsweise wird gleichzeitig ein am Quantenpunkt vorhandener Ligand abgespalten. Der Austausch der Liganden kann also in einer sogenannten Ligandaustauschreaktion stattfinden. Vorzugsweise wird mindestens ein Ligand derart an den Quantenpunkt gebunden. In einer Ausführungsform werden mindestens zwei Liganden so an den Quantenpunkt gebunden, wobei vorzugsweise mindestens eine zweite funktionelle Gruppe eine Elektronentransfortfunktion hat und mindestens eine zweite funktionelle Gruppe eine Lochtransportfunktion hat.
• In einer weiteren Ausführungsform wird der Quantenpunkt umfassend mindestens einen Liganden von dem Lösungsmittel abgetrennt und getrocknet. Das Trocknen erfolgt dabei beispielsweise durch Erhitzen.
• Die vorliegende Erfindung ist ferner auf ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gerichtet, umfassend mindestens ein Quantenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei einem optoelektronischen Halbleiterbauelement handelt es sich insbesondere um eine OLED (organische Leuchtdiode), eine QLED (Quantenpunkt-Leuchtdiode) oder eine Kombination daraus.
• In einer Ausführungsform umfasst ein optoelektronisches Halbleiterbauelement eine Kathode, eine Anode, ein Elektronentransportmaterial, optional ein Elektroneninjektionsmaterial, ein Quantenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Lochtransportmaterial und optional ein Lochinjektionsmaterial.
• Das optoelektronische Halbleiterbauelement ist vorzugsweise schichtenförmig aufgebaut. Dabei bilden die Anode und die Kathode jeweils die äußeren Schichten, die optional weiter beschichtet sein können. Auf den einander zugewandten Seiten befinden sich auf der Anodenseite eine Schicht aus Lochtransportmaterial und optional eine Schicht aus Lochinjektionsmaterial. Auf der Kathodenseite befinden sich auf der der Anode zugewandten Seite eine Schicht aus Elektronentransportmaterial und optional eine Schicht aus Elektroneninjektionsmaterial. Die Schicht aus Quantenmaterial befindet sich dabei im Zentrum der schichtförmigen Anordnung und grenzt an der einen Seite an das Lochtransportmaterial und an der anderen Seite an das Elektronentransportmaterial an.
• Die Anordnung der einzelnen Schichten kann dabei bedeuten, dass die Schichten unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt zu einer der zwei anderen Schichten angeordnet sind. Alternativ kann es bedeuten, dass die eine Schicht in mittelbarem Kontakt zu einer der zwei anderen Schichten und in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zu anderen Schichten angeordnet ist. Dabei können bei mittelbarem Kontakt dann weitere Schichten zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten angeordnet sein.
• Bei den optoelektronischen Halbleiterbauelementen, insbesondere bei den OLEDs und QLEDs ist ein ausbalancierter Ladungstransport wichtig, das heißt es muss ein Gleichgewicht zwischen Elektronen und Löchern vorliegen. Zur Erzeugung von Licht in einem Quantenmaterial, d.h. in einer lichtemittierenden Schicht einer OLED bzw. einer QLED, ist beispielsweise ein Exziton gebildet aus dem Loch und einem Elektron für die Emission von Licht notwendig, sodass möglichst gleich viele Elektronen und Löcher in der lichtemittierenden Schicht vorhanden sein sollten, um ein effizientes Halbleiterbauelement zu erhalten. Auch die Lebenszeit kann durch eine gute Ladungsbalance verbessert werden, da überschüssige Ladungsträger, zum Beispiel Löcher oder Radikale, zur Degradation, beispielsweise Oxidation der Materialien führen können.
• Bei den Materialien für die Kathode, die Anode, dem Elektronentransportmaterial, dem Elektroneninjektionsmaterial, dem Lochtransportmaterial und dem Lochinjektionsmaterial kann es sich jeweils um Materialien handeln, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
• Figurenliste
• Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten.
• Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Quantenmaterials
• 2 zeigt ein beispielhaftes Quantenmaterial
• 3 zeigt bespielhaft den Aufbau eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleiterbauelements
• 4 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden
• 5 und 6 zeigen beispielhafte Vorstufen von Liganden mit Elektronentransportfunktion
• 7 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden mit Lochtransportfunktion
• 8 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden mit Elektronentransportfunktion
• 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Quantenmaterial 1. Das Quantenmaterial 1 umfasst einen Quantenpunkt 2 und einen Liganden 3. Der schematisch dargestellte Ligand 3 umfasst eine erste funktionelle Gruppe 4, eine zweite funktionelle Gruppe 6, wobei die erste funktionelle Gruppe 4 und die zweite funktionelle Gruppe 6 über eine Brücke 5 miteinander verbunden sind.
• 2 zeigt ein beispielhaftes Quantenmaterial 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. An den Quantenpunkt 2 sind dabei sieben Liganden gebunden. Es können noch weitere organische Liganden sowie Liganden gemäß der vorliegenden Erfindung an den Quantenpunkt 2 gebunden sein (nicht dargestellt in 2). Bei den sieben dargestellten Liganden sind fünf aliphatische Liganden und zwei funktionale Liganden 3 an den Quantenpunkt 2 gebunden. Bei den funktionalen Liganden 3 weist ein Ligand eine Lochtransportfunktion und ein Ligand eine Elektronentransportfunktion auf.
• 3 zeigt ein beispielhaftes optoelektronisches Halbleiterbauelement 7. Dabei befindet sich im Zentrum des optoelektronischen Halbleiterbauelements 7 ein erfindungsgemäßes Quantenmaterial 1 zur Emission von Licht einer bestimmten Wellenlänge. Das Quantenmaterial 1 ist von einer Schicht eines Lochtransportmaterials 10 und einer Schicht eines Elektronentransportmaterials 12 umgeben. Ferner können sich optional eine Schicht eines Lochinjektionsmaterials 11 und eine Schicht eines Elektroneninjektionsmaterials 13 befinden. Weiterhin ist in 3 ein Anode 8 sowie eine Kathode 9 dargestellt.
• 4 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorstufen der Liganden 3 umfassen jeweils eine Vorstufe einer ersten funktionellen Gruppe 4 mittels der der Ligand 3 an den Quantenpunkt 2 gebunden sein kann (hier eine COOH-Gruppe, aus der mittels einer Abspaltung von -H eine Carboxylat-Gruppe gebildet werden kann). Ferner sind hier beispielhafte Brücken 5 sowie beispielhafte zweite funktionelle Gruppen 6 dargestellt. Die dargestellten Vorstufen von Liganden 3 führen zu Liganden 3 mit Lochtransportfunktion.
• 5 und 6 zeigen beispielhafte Vorstufen von Liganden 3 mit Elektronentransportfunktion. Die Vorstufen der Liganden 3 umfassen jeweils eine Vorstufe einer ersten funktionellen Gruppe 4 mittels der der Ligand 3 an den Quantenpunkt 2 gebunden sein kann (hier eine COOH-Gruppe, aus der mittels einer Abspaltung von -H eine Carboxylat-Gruppe gebildet werden kann).
• 7 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorstufen der Liganden 3 umfassen jeweils eine Vorstufe einer ersten funktionellen Gruppe 4 mittels der der Ligand 3 an den Quantenpunkt 2 gebunden sein kann (hier eine -SH-Gruppe, aus der mittels einer Abspaltung von -H eine -S-Gruppe gebildet werden kann). Ferner sind hier beispielhafte Brücken 5 sowie beispielhafte zweite funktionelle Gruppen 6 dargestellt. Die dargestellten Vorstufen von Liganden 3 führen zu Liganden 3 mit Lochtransportfunktion.
• 8 zeigt beispielhafte Vorstufen von Liganden 3 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorstufen der Liganden 3 umfassen jeweils eine Vorstufe einer ersten funktionellen Gruppe 4 mittels der der Ligand 3 an den Quantenpunkt 2 gebunden sein kann (hier eine -SH-Gruppe, aus der mittels einer Abspaltung von -H eine -S-Gruppe gebildet werden kann). Ferner sind hier beispielhafte Brücken 5 sowie beispielhafte zweite funktionelle Gruppen 6 dargestellt. Die dargestellten Vorstufen von Liganden 3 führen zu Liganden 3 mit Elektronentransportfunktion.
• Um die Leistungsdaten eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, welches Quantenmaterialien zur Erzeugung von Licht verwendet, zu verbessern, kann mittels der vorliegenden Erfindung die organische Hülle des Quantenpunkts so modifiziert werden, dass ein verbesserter Transport von positiven und negativen Ladungsträgern zum Quantenpunkt und somit der Rekombination der Ladungsträger unter Emission von Licht, möglich ist. Dazu können ganz oder teilweise die aliphatischen Liganden der organischen Hülle durch Liganden ersetzt werden, wie sie hierin beschrieben werden und als „funktionale Liganden“ dienen. Dabei umfasst ein solcher „funktionaler“ Ligand drei Molekülteile. Ein Molekülteil, die erste funktionelle Gruppe, kann für die Verankerung des Liganden am Quantenpunkt (z. B. mittels einer Carboxylat- oder Thiolat-Gruppe) sorgen. Ein anderer Teil des Moleküls, die zweite funktionelle Gruppe, kann als „Antenne“ für Ladungsträger(n) für deren „Einfang“ sorgen, während ein dritter Teil des Liganden als „Brücke“ zwischen diesen beiden Molekülteilen dient und den Transport der Ladungsträger (positive und negative) von der „Antenne“ zum Quantenmaterial über den Verankerungspunkt ermöglicht. Diese „Brücke“ besteht dabei aus einem System konjugierter Doppelbindungen, in dem z. B. eine bis mehrere Phenyl-Gruppen eingebunden sind, über welche die Ladungsträger zum anorganischen Quantenpunkt transportiert werden können. Es wird erwartet, dass die Verwendung von Liganden mit einem derartigen System konjugierter Doppelbindungen als „Brücke“ zwischen Ladungstransportfunktion und Verankerung des Liganden in der organischen Hülle der Quantenmaterialien erheblich zur Verbesserung der Effizienz der Quantenmaterialien und auch der sie enthaltenen optoelektronischen Halbleiterbauelementen beträgt. Gegebenenfalls werden einzelne Kohlenstoffatome der Brückenfunktion durch Heteroatome, z. B. Stickstoff ersetzt (z. B. Ersatz von Benzoesäuregrundstrukturen durch Pyridincarbonsäuregrundstrukturen), um den Ladungstransport zusätzlich zu verbessern bzw. anzupassen.
• Durch Mischen der Anteile von derartig verschieden aufgebauten funktionalen Liganden in der organischen Hülle des Quantenpunkts sollte ein ausgeglichener Ladungsträgertransport zum Quantenpunkt erreichbar sein.
• Es wird erwartet, dass eine rein aliphatische Ligandenhülle, die um einen Quantenpunkt herum angeordnet ist, in optoelektronischen Halbleiterbauelementen den Zugang der Ladungsträger, deren Rekombination auf dem Quantenpunkt die Emission von Licht definierter Wellenlänge ermöglichen soll, zum Quantenpunkt erschwert. Durch die Einführung von „funktionalen Liganden“, die eine „Antennen“- Funktion und eine Ladungsträgertransportfunktion („Brücke“), d.h. ein konjugiertes Doppelbindungssystem besitzen, sollte der Zugang von Ladungsträgern zur Rekombination auf dem Quantenpunkt deutlich erleichtert und damit die Leistungsdaten eines optoelektronischen Halbleiterbauelements verbessert werden.
• Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
• Bezugszeichenliste

1

Quantenmaterial

2

Quantenpunkt

3

Ligand

4

Erste funktionelle Gruppe

5

Brücke

6

Zweite funktionelle Gruppe

7

Optoelektronisches Halbleiterbauelement

8

Anode

9

Kathode

10

Lochtransportmaterial

11

Lochinjektionsmaterial

12

Elektronentransportmaterial

13

Elektroneninjektionsmaterial

Claims (15)

1. Quantenmaterial umfassend: einen Quantenpunkt mit mindestens einem Liganden, wobei mindestens einer der Liganden umfasst: eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst.
2. Quantenmaterial nach Anspruch 1, wobei die erste funktionelle Gruppe an den Quantenpunkt gebunden ist.
3. Quantenmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste funktionelle Gruppe ein Carboxylat, Thiocarboxylat, oder Thiolat ist.
4. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite funktionelle Gruppe eine Lochtransportstruktur oder eine Elektronentransportstruktur aufweist.
5. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite funktionelle Gruppe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 3,5-Bis(N-carbazolyl)phenyl, 3,5-Bis(diphenylamino)phenyl, 2,6-Bis(9H-carbazol-9-yl)pyrid-4-yl, 3,5-Bis(diphenylamino)phenyl, 1,4-Bis(diphenylamino)phenyl und Di-p-tolylamin.
6. Quantenmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite funktionelle Gruppe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 3,5-Bis(3,5-dipyrid-3-ylphenyl)phenyl, 4,6-Bis(3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-pyrimidin-2-yl, 3,5-Di(m-pyridin-3-ylphenyl)phenyl und 3,5-Di[(1-phenyl)-1-H-benzimidazol-2-yl]phenyl.
7. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brücke mindestens ein aromatisches System umfasst.
8. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brücke ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pyridyl, Phenylpyridyl, Bipyridyl.
9. Quantenmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brücke ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Phenyl und Biphenyl.
10. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quantenpunkt eine Kern-Hülle-Struktur aufweist.
11. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quantenpunkt ein Material oder eine Materialkombination ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus CdSe, CdS, InP, ZnSe, ZnS, PbS, CuInS und CulnSe umfasst.
12. Quantenmaterial nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche umfassend: einen Quantenpunkt mit mindestens zwei Liganden, wobei die mindestens zwei Liganden jeweils umfassen: eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst; wobei in mindestens einem Liganden die zweite funktionelle Gruppe eine Elektronentransportstruktur aufweist; und wobei in mindestens einem Liganden die zweite funktionelle Gruppe eine Lochtransportstruktur aufweist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Quantenmaterials, umfassend die Schritte: - bereitstellen mindestens eines Quantenpunkts, - in Kontakt bringen des mindestens einen Quantenpunkts mit einer Ligandvorstufe umfassend eine erste funktionelle Gruppe und eine zweite funktionelle Gruppe, die über eine Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Brücke ein System konjugierter Doppelbindungen umfasst.
14. Optoelektronisches Halbleiterbauelement umfassend: mindestens ein Quantenmaterial nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12.
15. Verwendung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements nach Anspruch 14 im Automobilsektor und in der Allgemeinbeleuchtung.

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