DE112015006988T5 - Quantenpunkt basierte optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Quantenpunkt basierte optoelektronische Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung (1) mit einer Elektronentransportschicht (2), einer aktiven Schicht (3), und einer Löchertransportschicht (4) wird bereitgestellt. Jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht enthält Quantenpunkte.

Description

  • Technisches Gebiet der Beschreibung
  • Die vorliegende Beschreibung bezieht sich auf optoelektronische Vorrichtungen, insbesondere auf Infrarot optoelektronische Vorrichtungen.
  • Hintergrund der Beschreibung
  • Optoelektronische Vorrichtungen, auch als elektrolumineszente Vorrichtungen bezeichnet, enthalten Dioden, beispielsweise lichtemittierende Dioden (LEDs) oder Photodioden. Solche LEDs oder Photodioden, insbesondere Infrarot-LEDs (IR-LEDs) und Infratrot (IR) - Photodioden werden in der Kommunikations- und Messtechnologie verwendet. Beispielsweise werden IR-LEDs in Automobilkomponenten zur 3D-Gestenerkennung oder in Kommunikationsanwendungen integriert.
  • LEDs und Photodioden sind Halbleiterdioden mit im Wesentlichen ähnlicher Struktur. Wenn daher im Folgenden auf eine „LED“ Bezug genommen wird, soll dies auch die Photodioden umfassen. Eine LED enthält im Wesentlichen drei Schichten, zum Beispiel eine Elektronentransportschicht (ETL) und eine Löchertransportschicht (HTL), zwischen denen eine aktive Schicht (AL) angeordnet ist. Die ETL und HTL werden auch als Ladungsübertragungsschichten (CTL) bezeichnet. Die aktive Schicht ist eine lichtemittierende Schicht.
  • Ein wichtiger Aspekt optoelektronischer Vorrichtungen ist ihre Effizienz, zum Beispiel die Effizienz einer LED Elektrizität in Licht umzuwandeln oder die einer Photodiode, um Licht in Elektrizität umzuwandeln. Die Effizienz einer LED kann durch ihre externe Quanteneffizienz (EQE) ausgedrückt werden. Die EQE einer LED ist das Verhältnis der Anzahl der von der LED emittierten Photonen zur Anzahl der Elektronen, die durch die Vorrichtung hindurch gehen. Im Stand der Technik gab es verschiedene Ansätze um die Effizienz von optoelektronischen Vorrichtungen zu verbessern.
  • Insbesondere sind kolloidale Quantenpunkte (CQDs) einer der vielversprechendsten Kandidaten zur Herstellung einer neuen Generation optoelektronischer Vorrichtungen, insbesondere von LEDs. Insofern umfassen die meisten CQDs basierend auf LEDs eine CQD-Emissionsschicht (zum Beispiel aktive Schicht), die zwischen zwei Trägertransportschichten (zum Beispiel einer Elektronentransportschicht ETL und einer Löchertransportschicht HTL) angeordnet sind und verschiedene organische oder anorganische Materialien verwenden. Die Auswahl an Materialien zum Bilden der Löcher- und Elektronentransportschichten besteht aus konjugierten kleinen Molekülen oder Polymeren, insbesondere anorganischen Materialien. Anorganische Materialien und Metalloxid- und Nitriddünnfilme können in LEDs als Ladungstransportschichten (CTL) integriert werden, um die Stabilität und die Ladungsinjektionen zu verbessern. Die Leistungsfähigkeit der vorher genannten reinen anorganischen Vorrichtungen hat sich bisher jedoch durch das Abschrecken (quenching) der aktiven CQD durch die Metalloxidschicht und durch die unausgeglichene Ladungsinjektion der beiden Typen an CTLs deutlich verschlechtert. Außerdem erfordert die Herstellung oft eine komplexe Infrastruktur und Hochtemperaturprozesse, die den Herstellungsvorteil des CQD-Prozesses verringert.
  • Aktuell werden Metalloxide und Quantenpunkt Nanopartikel mit kleinem Durchmesser in CQD-Festkörper eingebaut und als CTL-Materialien verwendet. Vorteile wie beispielsweise Einstellbarkeit der CTL-Bandlücken und hohe Ladungsträger Beweglichkeiten wurden durch das Integrieren einer CQD-basierten HTL mit planaren Perowskit Photovoltaik Bauelementen nachgewiesen (z. B. Hu, L.; Wang, W.; Liu, H.; Peng, J.; Cao, H.; Shao, G.; Xia, Z.; Ma, W.; Tang, J., PbS colloidal quantum dots as an effective hole transporter for planar heterojunction perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A 2015, 3 515).
  • Kurzfassung der Beschreibung
  • Aktuell ist es immer noch wünschenswert, eine optoelektronische Vorrichtung mit verbesserter Effizienz bereitzustellen. Beispielsweise haben die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung festgestellt, dass es immer noch wünschenswert ist, eine optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen, deren Eigenschaften derart angepasst werden können, dass die Effizienz des emitierten Lichtes (im Falle, beispielsweise, einer LED) im gewünschten Spektrum, zum Beispiel im IR-Spektrum, verbessert wird.
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung wird eine optoelektronische Vorrichtung bereitgestellt mit einer Elektronentransportschicht, einer aktiven Schicht, und einer Löchertransportschicht. Jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht enthält Quantenpunkte (quantum dots).
  • Demgemäß können die Elektronentransportschicht, die aktive Schicht und die Löchertransportschicht durch Quantenpunkte erhalten werden, insbesondere indem für jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht wenigstens eine Schicht an Quantenpunkten bereitgestellt wird.
  • In anderen Worten basiert jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht auf Quantenpunkten oder kann aus Quantenpunkten bestehen.
  • Daher ein Quantenpunkt: ein Quantenpunkt Heteroanschluss kann zwischen der Elektronentransportschicht und der aktiven Schicht, aber auch zwischen der Löchertransportschicht und der aktiven Schicht, ausgebildet werden.
  • Durch Bereitstellen einer solchen Konfiguration ist es möglich, die Charakteristiken jeder der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht, und der Löchertransportschicht frei anzupassen, um diese mit den Anforderungen der optoelektronischen Vorrichtung abzugleichen. Dies kann durch das Auswählen von Quantenpunkten, die entsprechende geeignete Eigenschaften aufweisen, für jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht erreicht werden.
  • Beispielsweise ist es möglich, die Eigenschaften der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht derart zu definieren, dass die Lichtemissionseffizienz und/oder die externe Quanteneffizienz (EQE) der optoelektronischen Vorrichtung optimiert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Beschreibung sind die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht vorzugweise konfiguriert, um Elektronen zu transportieren. Die Quantenpunkte der Löchertransportschicht sind vorzugsweise konfiguriert, um Löcher zu transportieren.
  • Durch Bereitstellen einer solchen Konfiguration können die Quantenpunkte auf zwei gegenüberliegenden Seiten der aktiven Schicht angeordnet werden und können auf der einen Seite als Elektronentransportschicht und auf der anderen Seite als Löchertransportschicht dienen.
  • Optional können die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht kolloidale Quantenpunkte sein.
  • Die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht, und der Löchertransportschicht können das gleiche Material enthalten. Vorzugsweise ist dieses Material Blei (II) Sulfid (PbS).
  • Das besagte Material PbS ist geeignet um eine optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen, die konfiguriert ist, um Licht (beispielsweise eine IR-LED) im Infrarotspektrum zu emitieren. Es können jedoch auch andere Materialien oder Materialkombinationen verwendet werden. Beispielsweise können die Quantenpunkte Materialien vom II-IV, II-VI oder IV-VI Typ umfassen.
  • Durch Verwenden des gleichen Materials für alle Quantenpunkte in der Vorrichtung kann die chemische Kompatibilität zwischen den Schichten verbessert werden (z. B. kann eine Reaktion verhindert werden). Außerdem kann die Herstellung der Vorrichtung vereinfacht werden, zum Beispiel kosteneffizienter durchgeführt werden, da beispielsweise alle Quantenpunkte in einem ähnlichen Prozess mit verschiedenen Wachstumszeiten der Quantenpunkte der verschiedenen Schichten hergestellt werden können.
  • Die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht unterscheiden sich vorzugsweise in der Größe.
  • Die Größe der Quantenpunkte der aktiven Schicht kann größer sein als die in der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht. Durch Bereitstellen relativ kleiner Quantenpunkte für die Elektronentransportschicht und die Löchertransportschicht können diese Schichten demgemäß effektiv die jeweiligen Ladungsträger blockieren oder injizieren.
  • Die Größe der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht kann größer sein als die Löchertransportschicht.
  • Die Größe der Quantenpunkte, wenigstens einer der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht kann derart konfiguriert sein, dass die Quantenpunkte ein Lichtabsorptions- und/oder -emissionsspektrum mit einem vorher festgelegten Maximum aufweisen.
  • Das heißt, es ist möglich, das Lichtabsorptionsmaximum und/oder das Lichtemissionsmaximum der Quantenpunkte durch Anpassung ihrer Größe zu bestimmen. Das heißt, zur Herstellung der optoelektronischen Vorrichtung, wie beispielsweise einer LED, werden die Größen der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht vorzugsweise derart gewählt, dass die optoelektronische Vorrichtung und die erforderliche Lichtemission und/oder Lichtabsorptionscharakteristik aufweist.
  • Beispielsweise ist es möglich, die Maxima der Lichtabsorptions- und/oder -emissionsspektren der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht derart zu definieren, dass diese Maxima sich von dem Maximum der Lichtabsorption- und/oder -emissionsspektren der Quantenpunkte der aktiven Schicht unterscheidet. Daher stört das Lichtabsorptions- und/oder -emissionsspektrum der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht das Absorptions- und/oder - emissionsspektrum der Quantenpunkte der aktiven Schicht so wenig wie möglich.
  • Beispielsweise können die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht eine Größe von etwa 2,5 nm aufweisen. Als weiteres Beispiel können die Quantenpunkte der aktiven Schicht eine Größe von etwa 4 bis 6 nm aufweisen. Als weiteres Beispiel können die Quantenpunkte der Löchertransportschicht eine Größe von näherungsweise 2,0 nm aufweisen. Die genannten Größen sind vorzugsweise die durchschnittlichen Durchmesser der Quantenpunkte.
  • Die Elektronentransportschicht kann zwei Schichten an Quantenpunkten oder mehr enthalten.
  • Außerdem kann die aktive Schicht zwei oder mehr Schichten an Quantenpunkten aufweisen.
  • Außerdem kann die Löchertransportschicht vier oder mehr Schichten an Quantenpunkten aufweisen.
  • Durch Bereitstellen einer solchen Konfiguration lässt sich eine dünne und effiziente optoelektronische Vorrichtung wie beispielsweise eine LED erhalten. Durch diese Konfiguration kann das Gleichgewicht der Ladungsinjektion optimiert werden.
  • Die Quantenpunkte, wenigsten einer der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht enthalten vorzugsweise oberflächenangeordnete Liganden.
  • Die Liganden der Quantenpunkte der aktiven Schicht sind vorzugsweise geeignet, um die Quantenpunkte der aktiven Schicht zu separieren und um eine Ladungsinjektion zu aktivieren.
  • Die Quantenpunkte, wenigstens einer der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht kann durch oberflächenangeordnete Liganden dotiert sein.
  • Demgemäß kann das Gewinnen von Löchern und Elektronen unter der Verwendung von Wandlücken abgestimmten Quantenpunkten durchgeführt werden. Die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht können aus dem gleichen Material gebildet sein wie die Quantenpunkte des aktiven Materials. Sie sind jedoch vorteilhafterweise mit Liganden dotiert, um sie mit Löcher und Elektronen Absorptionseigenschaften zu versehen.
  • Bevorzugter Weise sind die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht konfiguriert, um Löcher aus den Quantenpunkten der Elektronentransportschicht zu extrahieren. Außerdem sind die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Löchertransportschicht bevorzugt konfiguriert, um Elektronen aus den Quantenpunkten der Löchertransportschicht zu extrahieren.
  • Außerdem können die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht anorganische Kationen enthalten und/oder die oberflächenangeordneten Liganden der Löchertransportschicht können Thiole enthalten.
  • Die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Löchertransportschicht können Mercaptopropionische Säure (MPA) enthalten, insbesondere vorzugsweise mit einem Molekulargewicht von 106,14 g/Mol.
  • Die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der aktiven Schicht können Mercaptooctische Säure (MOA) und/oder längere Liganden enthalten. Die MOA Liganden haben bevorzugter Weise ein Molekulargewicht von 176,82 g/Mol. Auch andere Carboxylische-Säure-abgeschlossene Thiol Liganden können anstelle oder zusätzlich verwendet werden.
  • Außerdem können die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht Tetrabutylammoniumiodid (TBAI), insbesondere vorzugsweise mit einem Molekulargewicht von 368,37 g/Mol enthalten.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung. In dem Verfahren wird eine Löchertransportschicht, eine aktive Schicht und eine Elektronentransportschicht bereitgestellt. Jede der Schritte zum Bereitstellen der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht, und der Elektronentransportschicht umfasst das Bereitstellen wenigstens einer Schicht mit Quantenpunkten.
  • Demgemäß wird jede der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht durch das Bereitstellen einer oder mehrere Schichten aus Quantenpunkten bereitgestellt. Natürlich kann die Reihenfolge der Bereitstellung der Schichten unterschiedlich sein. Beispielsweise ist es möglich, dass zuerst eine Löchertransportschicht, dann eine aktive Schicht und erst dann eine Elektronentransportschicht bereitgestellt wird. Es ist jedoch ebenso möglich, dass erst eine Elektronentransportschicht, dann eine aktive Schicht und dann eine Löchertransportschicht bereitgestellt wird.
  • Vor den Schritten zur Bereitstellung der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht, umfasst das Verfahren bevorzugter Weise die Schritte des Bereitstellens eines vorher festgelegten Materials, insbesondere Blei (II) Sulfid (PbS), und das Vorbereiten der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht aus diesem Material.
  • Es ist daher möglich, dass zur Vorbereitung das gleiche Material verwendet wird, beispielsweise zur Herstellen der Quantenpunkte jeder der Löchertransposrtschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht. Natürlich kann auch eine Kombination an Materialien zur Vorbereitung verwendet werden, zum Beispiel um die Quantenpunkte jeder der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht herzustellen. Vielmehr ist es möglich, durch solch ein Verfahren die Quantenpunkte jeder der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht durch das gleiche Verfahren herzustellen, wobei bevorzugter Weise nur die Wachstumszeit der Quantenpunkte der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht unterschiedlich ist.
  • Die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht kann durch nass-chemische synthetische Verfahren oder physikalische oder chemische Gasphasenabscheidungsverfahren hergestellt werden.
  • Die Größe der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht kann durch die Wachstumszeit der Quantenpunkte gesteuert werden. Beispielsweise kann die Wachstumszeit der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht 5 Minuten betragen. Als anderes Beispiel kann die Wachstumszeit der Quantenpunkte der aktiven Schicht beispielsweise 20 Minuten betragen. Als weiteres Beispiel kann die Wachstumszeit der Quantenpunkte der Löchertransportschicht 3 Minuten betragen.
  • Auf diese Art und Weise kann dasselbe Verfahren angewandt werden, um alle Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht herzustellen. Die benötigten unterschiedlichen Größen der Quantenpunkte kann einfach durch das Anpassen der Wachstumszeit der Quantenpunkte während des Herstellungsverfahrens gesteuert werden.
  • Die Quantenpunkte der Löchertransportschicht und/oder der Elektronentransportschicht können unter Verwendung eines Heißeinspritzverfahrens (hot injection method) gebildet werden. Solch ein Verfahren kann jedoch auch zur Herstellung der Quantenpunkte der aktiven Schicht verwendet werden.
  • Außerdem können die Quantenpunkte der aktiven Schicht unter Verwendung von Blei (II) Oleat als Vorprodukt (precursor) gebildet werden. Solch ein Verfahren kann jedoch auch angewandt werden, um die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und/oder der Löchertransportschicht herzustellen.
  • Solange es sich nicht widerspricht, ist es beabsichtigt, dass auch Kombinationen der oben beschriebenen Elemente und der Elemente aus dieser Beschreibung hergestellt werden können.
  • Es ist klar, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind und sich nicht auf die beanspruchte Beschreibung beschränken.
  • Die begleitenden Figuren dieser Beschreibung und die einen Teil der Beschreibung bilden stellen zusammen mit der Beschreibung Ausführungsformen der Beschreibung dar und dienen zur Erklärung der Prinzipien.
  • Figurenliste
    • 1A zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften optoelektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Beschreibung;
    • 1B zeigt eine beispielhafte optoelektronische Vorrichtung nach 1 mit Elektroden und einem Substrat.
    • 2A zeigt eine beispielhafte optoelektronische Vorrichtung aus 1A und 1B, wobei die Quantenpunkte schematisch dargestellt sind;
    • 2B zeigt schematisch eine Darstellung der Quantenpunkte und der an der Oberfläche angeordneten Liganden.
    • 3 zeigt ein Energieniveaudiagram einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der Erfindung.
    • 4 zeigt das Absorptionsspektrum von Quantenpunkten wie sie für die Elektronentransportschicht, die Löchertransportschicht und die aktive Schicht der optoelektronischen Vorrichtungen gemäß der Erfindung verwendet werden.
    • 5 zeigt das normalisierte Emissionslichtspektrum von optoelektronischen Vorrichtungen gemäß der Erfindung.
    • 6 zeigt die EQE-Stromdichte Leistung von optoelektronischen Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren.
    • 7 zeigt die EQE und PCE Werte (mit Fehlerbalken) opotelektronischer Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Es wird nun im Detail auf beispielhafte Ausführungsformen der Beschreibung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den begleitenden Figuren dargestellt sind. Wo immer möglich, werden die gleichen Bezugszeichen in allen Figuren verwendet, um die gleichen oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
  • 1A zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften LED (optoelektronische Vorrichtung) 1 gemäß der vorliegenden Beschreibung. Die LED umfasst eine Elektronentransportschicht (ETL) 2, eine aktive Schicht 3 und eine Löchertransportschicht (HTL) 4. Die aktive Schicht ist zwischen der Elektronentransportschicht (ETL) 2 und der Löchertransportschicht (HTL) 4 angeordnet. Die Elektronentransportschicht (ETL) 2 und die Löchertransportschicht (HTL) 4 umfassen Quantenpunkte, beziehungsweise bestehen vorzugsweise aus Quantenpunkten. Die aktive Schicht 3 enthält ebenso bevorzugter Weise Quantenpunkte, beziehungsweise besteht noch vorteilhafter aus Quantenpunkten.
  • 1B zeigt die beispielhafte LED (optoelektronische Vorrichtung) 1 aus 1A mit ersten und zweiten Elektroden 5, 6 und einem Substrat 7. Diese Kombination wird mit „10“ beziffert. Die erste Elektrode 5 kann als Kathode betrieben werden. Die zweite Elektrode 6 kann als Anode betrieben werden. Außerdem kann die erste und/oder zweite Elektrode eine Indiumzinnoxid (ITO) Schicht und/oder eine Silber (Ag) Schicht enthalten. Das Substrat 7 kann ein Glass-Substrat sein. Die zweite Elektrode 6 kann auf das Substrat 7 aufgetragen sein.
  • 2A zeigt die beispielhafte LED (optoelektronische Vorrichtung) aus 1A und 1B, wobei die Quantenpunkte schematisch dargestellt sind. Die Quantenpunkte der aktiven Schicht 3 sind größer als die der Elektronentransportschicht 2 und der Löchertransportschicht 4. Außerdem sind die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht 2 größer als die der Löchertransportschicht 4. Die Elektronentransportschicht 2 enthält bevorzugter Weise zwei Schichten mit Quantenpunkten. Auch die aktive Schicht 3 enthält vorzugsweise zwei Schichten mit Quantenpunkten. Die Löchertransportschicht 4 enthält bevorzugter Weise vier Schichten an Quantenpunkten.
  • 2B zeigt schematische Darstellungen der Quantenpunkte und der oberflächenangeordneten Liganden. Der Quantenpunkt 14 repräsentiert einen Quantenpunkt der aktiven Schicht. Der Quantenpunkt 14 ist wenigstens teilweise von Liganden 15 bedeckt, die an seiner Oberfläche angeordnet sind. Die mit „9“ bezeichnete Kombination des Quantenpunkts 14 und der oberflächenangeordneten Liganden 15 wird in der aktiven Schicht 3 der in 2A gezeigten LED verwendet. Die Liganden 15 enthalten oder bestehen bevorzugter Weise aus Mercaptooctanoische Säure (MOA), bevorzugter Weise mit einem Molekulargewicht von 176,82 g/Mol.
  • Der Quantenpunkt 12 stellt einen Quantenpunkt der Elektronentransportschicht dar. Der Quantenpunkt 12 ist wenigstens teilweise mit Liganden 13 bedeckt, die an seiner Oberfläche angeordnet sind. Diese mit „8“ bezeichnete Kombination des Quantenpunkts 12 und der oberflächenangeordneten Liganden 13 wird in der Elektronentransportschicht 2 de in 2A gezeigten LED verwenden. Die Liganden 13 umfassen oder bestehen bevorzugter Weise aus Tetrabutylammoniumiodid (TBAI), vorzugsweise mit einem Molekulargewicht von 369,37 g/Mol.
  • Außerdem stellt der Quantenpunkt 16 einen Quantenpunkt der Löchertransportschicht dar. Der Quantenpunkt 16 ist wenigstens teilweise mit Liganden 17 bedeckt, die an seiner Oberfläche angeordnet sind. Diese mit „11“ bezeichnete Kombination des Quantenpunkts 16 und der oberflächenangeordneten Liganden 17 wird in der Löchertransportschicht 4 der in 2A dargestellten LED verwendet. Die Liganden 17 umfassen oder bestehen bevorzugter Weise aus Mercaptopropionischer Säure (MPA), bevorzugter Weise mit einem Molekulargewicht von 106,14 g/Mol.
  • Die Quantenpunkte 12, 14 und 16 haben bevorzugter Weise eine im Wesentlichen sphärische Form.
  • Die Quantenpunkte der elektronischen Transportschicht können eine Größe von etwa 2,5 nm aufweisen. Die Quantenpunkte der aktiven Schicht können eine Größe von etwa 4 bis 6 nm aufweisen. Die Quantenpunkte der Löchertransportschicht können eine Größe von näherungsweise 2,0 nm aufweisen. Diese Größen sind vorzugsweise die durchschnittlichen Durchmesser der Quantenpunkte.
  • Die Materialien auf denen die Quantenpunkte 12, 14 und 16 basieren sind bevorzugter Weise identisch. Die Quantenpunkte 12, 14 und 16 können auch durch das gleiche Verfahren hergestellt werden. Die Quantenpunkte 12, 14 und 16 sind bevorzugter Weise kolloidale Quantenpunkte. Die Quantenpunkte 14, 16 und 17 können als irgendein Halbleiterteilchen mit einer Bandlücke von 0,2 - 4,0 eV definiert werden. Die Quantenpunkte sind aus Materialien vom II-IV, III-V, II-VI oder IV-VI Typ hergestellt. Bevorzugter Weise enthalten die Quantenpunkte 14, 16 und 17 Blei (II) Sulfid (PbS). Dieses Material ist insbesondere geeignet falls die LED als IR-LED konfiguriert ist. Die Quantenpunkte 14, 16 und 17 können durch nass-chemische, synthetische Verfahren oder physikalische, chemische Dampfphasenabscheidungsverfahren hergestellt werden.
  • Die Extraktion von Löchern aus den Quantenpunkten in der elektronischen Transportschicht und von Elektronen aus den Quantenpunkten in der Löchertransportschicht wird durchgeführt unter der Verwendung von Bandlücken eingestellten Quantenpunkten des gleichen Materials das mit Liganden 13, 17 wie beispielsweise Thiolen, z.B. MPA, dotiert sind für die HTL und anorganischen Kationen für die ETL um ihnen Löcher und Elektronenabsorptionseigenschaften zu verleihen.
  • Das Spektrum der LED kann beispielsweise innerhalb des nahen Infrarotbereichs durch Ändern der Größe der Quantenpunkte 14 der aktiven Schicht angepasst werden.
  • 3 zeigt ein Energieniveaudiagramm einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der Erfindung. Insbesondere zeigt dies das Energieniveau unterhalb des Vakuums in eV der einzelnen Schichten der LED. Die erste Elektrode 1, die als Anode verwendet wird, weist vorzugsweise ein Niveau von -4,8 eV auf. Die Löchertransportschicht weist bevorzugter Weise ein Energieniveau im Bereich von -5,4 eV bis -3,5 eV auf. Die aktive Schicht 3 weist bevorzugter Weise ein Energieniveau im Bereich von -5,0 eV bis -4,3 eV auf. Alternativ dazu kann die aktive Schicht ein Energieniveau im Bereich von -5,1 eV bis -4,1 eV aufweisen, was dem Bandlückenregime entspricht, das für diese spezielle Architektur der LED verfügbar ist. Die Elektronentransportschicht weist bevorzugter Weise ein Energieniveau im Bereich von -5,8 eV bis -5,2 eV auf. Die zweite Elektrode 6, die als Kathode verwendet wird, weist bevorzugter Weise ein Niveau von -4,3 eV auf.
  • 4 zeigt das Absorptionsspektrum von Quantenpunkten, wie sie für die Elektronentransportschicht, die Löchertransportschicht und die aktive Schicht verschiedener LEDs (optoelektronische Vorrichtung) gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Maxima können bevorzugter Weise durch Anpassen der Größe der Quantenpunkte angepasst werden, um die Anforderungen an die LEDs zu erfüllen.
  • Wie in 4 dargestellt, sind für jede LED die Absorptionsspektren der Quantenpunkte in der Elektronentransportschicht der Löchertransportschicht bevorzugter Weise gleich. Die relativ kleinen Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht haben jeweils ein Absorptionsmaximum bei <1.000 nm, bevorzugter Weise bei <800 nm und noch bevorzugter bei ≤ 785 nm. Insbesondere haben die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht ein Absorptionsmaximum im Bereich von 700 bis 800 nm, bevorzugter Weise im Bereich von 750 bis 800 nm, und noch bevorzugter bei 785 nm. Die Quantenpunkte der Löchertransportschicht können das Absorptionsmaximum im Bereich von 600 bis 700 nm haben, bevorzugter Weise im Bereich von 630 bis 670 nm und noch bevorzugter bei 650 nm.
  • Wie vorher in 4 dargestellt, unterscheiden sich die Absorptionsspektren der Quantenpunkte der aktiven Schichten der LEDs voneinander, abhängig von der Größe der verwendeten Quantenpunkte in den aktiven Schichten. Alternativ dazu können Quantenpunkte unterschiedlicher Größen (und daher unterschiedlicher Absorptionsmaxima) auch in der gleichen aktiven Schicht verwendet werden. Die relativ großen Quantenpunkte der aktiven Schicht haben ein Absorptionsmaximum bei Größe 1.000 nm, noch bevorzugter bei Größe 1.100 nm und noch bevorzugter bei Größe 1.200 nm. Insbesondere haben die Quantenpunkte der aktiven Schicht das Absorptionsmaximum in dem Bereich von 1.100 bis 1.700 nm bevorzugt in wenigstens einem der Bereiche von 1.200 bis 1.240 nm, 1.330 bis 1.730 nm, 1.420 bis 1.460 nm, und 1.600 bis 1.640 nm und noch bevorzugter bei wenigstens einem von 1.220 nm, 1.350 nm, 1.440 nm, und 1.622 nm.
  • Konsequenterweise, stören die Lichtabsorptions- und/oder -emissionspektren der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht so wenig wie möglich das Lichtemissionspektrum der Quantenpunkte der aktiven Schicht. Hierdurch kann die Effizienz der LEDs verbessert werden.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen einer LED gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Als erstes werden die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht vorbereitet, z. B. produziert. Die relativ kleinen Quantenpunkte der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht (Absorptionsmaximum ≤ 750 nm, können unter Verwendung des Heißinjektionsverfahrens gebildet werden. Die relativ großen Quantenpunkte der aktiven Schicht (Absorptionsmaximum Größe 1.100 nm) können unter Verwendung von Blei (II), Oleat als Vorprodukt (Precursor) hergestellt werden. Die Größen der Quantenpunkte werden bevorzugter Weise durch die Wachstumszeit gesteuert. Nach der Synthese kann ein ml von CdCl2 (0,06 M) Oleylaminlösung während des langsamen Abkühlprozesses in die Quantenpunktreaktionsflasche injiziert werden.
  • Danach werden die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht hergestellt. Bei einer Temperatur unter 40°C (DC) können die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht durch Hinzufügen von -50 ml Aceton ausgefällt werden, und durch Ultrazentrifugieren separiert werden. Der Überstand wird bevorzugter Weise dekantiert und in die Quantenpunkte in 2 ml Toluen gelöst, und in eine Ablage (Glovebox) übertragen. In der Glovebox können die Quantenpunkte neu ausgefällt werden, bevorzugter Weise durch das Hinzugeben von einer Ethanol-/Methanolmischung (1,1 Volumenverhältnis). Nach dem Zentrifugieren kann der Überstand dekantiert werden und die Quantenpunkte können im Vakuum für eine Stunde getrocknet werden und dann in Oktan bei einer Konzentration von 50 mg pro ml neu verteilt werden.
  • Danach kann ein vorstrukturiertes Substrat durch ein Indiumzinnoxid (ITO) beschichtetes Glas bereitgestellt werden. Das Substrat wird bevorzugter Weise kurz vor der Verwendung für 10 Minuten mit einem Sauerstoffplasma behandelt.
  • Danach wird jede funktionale Schicht, inklusive der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht bevorzugter Weise unter Verwendung einer Schicht-Bei-Schicht Spin-Coating-Abscheidung der Quantenpunkte auf dem Substrat hergestellt. Dies wird bevorzugter Weise durch das Abscheiden von Oktanlösungen mit den entsprechenden Quantenpunkten der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht unter Luftatmosphäre, vorzugsweise bei 2.500 Umdrehungen pro Minute (rpm) durchgeführt um jede Schicht zu erhalten. Jede Schicht kann eine Dicke von im Wesentlichen 30 nm aufweisen.
  • Die HTL besteht bevorzugter Weise aus vier Schichten aus relativ kleinen Quantenpunkten (Absorptionsmaximum bei 650 nm), die bevorzugter Weise mit Cadmiumchlorid (CdCl2) behandelt sind. Die Quantenpunkte werden bevorzugter Weise auf dem Substrat abgeschieden und mit 1% v/v Mercaptopropionischer Säure (MPA): Methanollösung behandelt. Jede Schicht kann zweimal mit reinen Methanol gespült werden. Die Schicht kann dann bei 50 DC unter Atmosphäre für zwei Stunden ausgeheilt werden.
  • Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur werden bevorzugter Weise zwei Schichten relativ großer Quantenpunkte, die die aktive Schicht (Absorptionsmaximum Größe 1.200 nm) bilden aufgeschleudert mit der Ligandenaustauschbehandlung unter Verwendung von 1 % v/v Mercaptopropionischer Säure (MOA): Acetonitrillösung. Die Quantenpunkte der aktiven Schicht können nach 30 Sekunden bei 1.000 Umdrehungen pro Minute (rpm) abgeschieden werden. Drei Spülungen mit reinem Acetonitril können für jede Schicht verwendet werden.
  • Oben auf der aktiven Schicht werden bevorzugter Weise zwei Schichten relativ kleiner Quantenpunkte (Absorptionsmaximum bei 785 nm, ohne CdCl2 Behandlung) aufgeschleudert. Jede Schicht kann mit 5mg/ml von Tetrabutylammoniumiodid (TBAI): Acetonitrillösung behandelt werden und nach 10 Sekunden mit der gleichen Geschwindigkeit für 10 Sekunden aufgeschleudert werden. Vier Spülungen mit reinem Acetonitril können für jede Schicht durgeführt werden.
  • Danach wird eine obere Elektrode, zum Beispiel 220 nm aus Ag, durch thermisches Aufdampfen, bevorzugter Weise bei einem Druck von < 1 × 10-6 Torr (~ 133,3 × 10-6 Pa) abgeschieden. Jedes Substrat kann so strukturiert werden, dass es acht Vorrichtungen ergibt, jede mit einer Fläche von 4,9 mm2.
  • Zum Testen der hergestellten LED oder LEDs (wenn das Substrat und die Elektroden entsprechend strukturiert wurden) können sie mit einer Spannungsquelle (source meter) verbunden werden. Mit einem Bereich von Vorwärtsvorspannungsspannungen können die emittierten Lichtspektren über einen Satz an Linsen auf eine optische Faser geleitet und mit einem nahen Infrarot (NIR) Sektrophotometer verbunden werden.
  • 5 zeigt das normalisierte Emissionslichtspektrum der LEDs (optoelektronische Vorrichtungen) gemäß der Erfindung. Solche LEDs können mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Wie gezeigt kann das Lichtspektrum der LEDs Lichtemissionsmaxima in verschiedenen Bereichen aufweisen. Die Maxima können angepasst sein, bevorzugter Weise durch Anpassen der Größe der Quantenpunkte, um die Anforderungen der LEDs zu erfüllen. Beispielsweise kann die Lichtemissionsmaximumseffizienz einer solchen LED wie oben unter Bezugnahme auf die Absorptionsmaxima der LEDs in Zusammenhang mit 4 einem der Bereich oder Werte entsprechen.
  • 6 zeigt die EQE-Stromdichteleistung von LEDs (optoelektronischen Vorrichtungen) gemäß der Erfindung, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren. Wie dargestellt, erreicht eine LED mit einem Lichtemissionsmaximum bei 1350 nm die beste EQE (externe Quanteneffizienz) bevorzugter Weise bis zu 1.58 %. Der zweit beste EQE-Wert wird von einer LED mit einem Lichtemissionsmaximum bei 1220 nm erreicht, dann durch eine LED mit einem Lichtemissionsmaximum bei 1440 nm und dann durch eine LED mit einem Lichtemissionsmaximum bei 1622 nm.
  • 7 zeigt die EQE und PCE Werte (mit Fehlerbalken) optoelektronischer Vorrichtungen gemäß der Erfindung, die bei verschiedenen Wellenlängen emittierten. Die verschiedenen Wellenlängen sind wie oben bei 1220 nm, 1350 nm, 1440 nm und 1622 nm. Die Figur zeigt die Leistungsdetails von LEDs, die im Zusammenhang mit 4, 5 und 6 diskutiert wurden. Es zeigt die durchschnittlichen EQE und PCE (Photoumwandlungseffizienz) Werte der LEDs mit Fehlerbalken.
  • In der gesamten Beschreibung inklusive der Patentansprüche soll der Ausdruck „umfassend ein“ als Synonym zu „umfassend wenigstens eines“ verstanden werden, solange nichts anderes ausdrücklich gesagt ist. Außerdem soll jeder Bereich wie in der Beschreibung erwähnt, inklusive der Patentansprüche, verstanden werden als, dass er seine Endwerte mit umfasst solange nichts anderes gesagt wird. Spezifische Werte für beschriebene Elemente sollen als innerhalb der bekannten Herstellungs- oder Industrietoleranzen wie sie für den Fachmann bekannt sind verstanden werden, und jede Verwendung der Ausdrücke „im Wesentlichen“ und/oder „näherungsweise“ und/oder „im Allgemeinen“ soll verstanden werden, so dass es innerhalb der bekannten Toleranzen liegt.
  • Wo auf irgendwelche nationalen, internationalen oder andere Standards oder Standardkörper referenziert wurde (z. B. ISO, usw.) sollen solche Bezugsnahmen derart verstanden werden, dass sie sich auf den Standard wie er von nationalen oder internationalen Standardgremien zum Prioritätstag der vorliegenden Beschreibung definiert wurde beziehen. Irgendwelche nachträglichen substanziellen Änderungen solcher Standards sollen nicht den Umfang und/oder die Definitionen der vorliegenden Beschreibung und/oder Patentansprüche ändern.
  • Obwohl die vorliegende Beschreibung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen geschrieben wurde, ist es klar, dass diese Ausführungsformen nur die Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Beschreibung darstellen.
  • Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung und die Beispiel nur beispielhaft verstanden werden und der wahre Umfang der Beschreibung durch die folgenden Patentansprüche dargestellt ist.

Claims (20)

  1. Optoelektronische Vorrichtung umfassend: eine Elektronentransportschicht, eine aktive Schicht, und eine Löchertransportschicht, wobei jede der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht Quantenpunkte enthält.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht konfiguriert sind, um Elektronen zu transportieren und/oder die Quantenpunkte der Löchertransportschicht konfiguriert sind, um Löcher zu transportieren.
  3. Opotelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht kolloidale Quantenpunkte sind.
  4. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht das gleiche Material enthalten, vorzugsweise Blei (II) Sulfid (PbS).
  5. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht sich in der Größe unterscheiden, wobei die Größe der Quantenpunkte der aktiven Schicht größer ist als die der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht, und/oder die Größe der Quantenpunkte in der Elektronentransportschicht größer ist als die der Löchertransportschicht.
  6. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einen der vorangehenden Ansprüche, wobei die Größe der Quantenpunkte von wenigstens einer der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht, und der Löchertransportschicht konfiguriert ist, sodass die Quantenpunkte ein Lichtabsorptions- und/oder -emissionsspektrum mit einem vorher festgelegten Maximum aufweisen.
  7. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektronentransportschicht wenigstens zwei Schichten an Quantenpunkten, enthält, und/oder die aktive Schicht zwei Schichten an Quantenpunkten enthält, und/oder die Löchertransportschicht vier Schichten an Quantenpunkten enthält.
  8. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Quantenpunkte wenigstens einer der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht oberflächenangeordnete Liganden enthalten.
  9. Optoelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Quantenpunkte von wenigstens einer der Elektronentransportschicht und der Löchertransportschicht durch die oberflächenangeordneten Liganden dotiert sind.
  10. Optoelektronische Vorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht konfiguriert sind, um Löcher aus den Quantenpunkten der Elektronentransportschicht zu extrahieren und/oder die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Löchertransportschicht konfiguriert sind, um Elektronen aus den Quantenpunkten der Löchertransportschicht zu extrahieren.
  11. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einen der Ansprüche 8 bis 10, wobei die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht anorganische Kationen enthalten und/oder die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte (16) der Löchertransportschicht Thiole enthalten.
  12. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einen der Ansprüche 8 bis 11, wobei die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Löchertransportschicht Mercaptopropionische Säure (MPA) enthält.
  13. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einen der Ansprüche 8 bis 12, wobei die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der aktiven Schicht Mercaptooctanoische Säure (MOA) enthält.
  14. Optoelektronische Vorrichtung gemäß einen der Ansprüche 8 bis 13, wobei die oberflächenangeordneten Liganden der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht Tetrabutylammoniumiodid (TBAI) enthält.
  15. Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung, umfassend die Schritte von: Bereitstellen einer Löchertransportschicht, Bereitstellen einer aktiven Schicht, und Bereitstellen einer Elektronentransportschicht, wobei jeder der Schritte zum Bereitstellen der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht das Bereitstellen von wenigstens einer Schicht an Quantenpunkten enthält.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei vor den Schritten zum Bereitstellen der Löchertransportschicht, der aktiven Schicht und der Elektronentransportschicht, das Verfahren außerdem umfasst: Bereitstellen eines vorher festgelegten Materials, insbesondere Blei (II) Sulfid (PbS), und Herstellen der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht aus dem Material.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht und der Löchertransportschicht durch nass-chemische synthetische Verfahren oder physikalische oder chemische Dampfphasenabscheidungsverfahren hergestellt werden.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Größe der Quantenpunkte der Elektronentransportschicht, der aktiven Schicht, und der Löchertransportschicht durch die Wachstumszeit der Quantenpunkte gesteuert wird.
  19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Quantenpunkte der Löchertransportschicht und/oder der Elektronentransportschicht unter Verwendung eines Heißinjektionsverfahrens gebildet werden.
  20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Quantenpunkte der aktiven Schicht unter Verwendung von Blei (II) Oleat als Vorprodukt (precursor) hergestellt werden.
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