ZnCdSe梯度合金量子点的壳层材料及其厚度对发光二极管性能的影响

发布时间：2020-03-26 13:22

【摘要】：近年来,量子点由于具有量子产率高,光化学稳定性好,激发光谱宽和发射光谱窄以及光谱连续可调等特点引起了研究人员的广泛关注。而且,量子点具有可溶液加工,操作简单等特点而被广泛应用于发光二极管领域。自1994年首次报道基于量子点的发光二极管至今,研究者们通过提升量子点的性能,优化器件结构及电荷传输层材料等多种途径来提高量子点发光二极管的性能。二十多年来,尽管量子点发光二极管的性能得到了极大的提高,但是载流子注入效率低和载流子注入不平衡等问题依然制约着器件性能。在器件工作时,电子和空穴需先穿过量子点壳层才能在核内形成激子复合发光,所以壳层对载流子的注入效率有非常大的影响。一方面,有机空穴传输层的HOMO能级与量子点的价带顶之间存在较大的能级差,空穴注入势垒较高,将导致载流子注入不平衡以及载流子在势垒界面的聚集。这不仅容易引起俄歇复合过程,而且导致了驱动电压升高和效率滚降。因此,选择合适的壳层材料可以降低空穴的注入势垒,促进载流子注入平衡,进而提高器件的性能。另外,量子点的壳层厚度亦对器件的性能有较大的影响。在电场作用下,薄壳层的量子点容易引起激子分离,而厚壳层的量子点又会降低载流子的注入效率。基于以上分析,本论文以ZnCdSe量子点为基础,研究其梯度合金结构与壳层材料及其厚度对器件性能的影响,主要内容分为以下两个部分:(1)Zn_(1-x)Cd_xSe梯度合金量子点和ZnCdSe/ZnS核壳结构量子点的合成及其发光二极管的构筑:首先通过调控Cd与Zn的比例,采用热注入法合成了一系列不同发射波长的Zn_(1-x)Cd_xSe梯度合金量子点。然后,在Zn_(1-x)Cd_x Se梯度合金核上生长了一系列不同厚度的ZnS壳层。当ZnS壳层厚度为8个单层(monolayer,ML)时量子产率达到92%,且光化学稳定性好。单颗粒荧光数据显示ZnS壳层厚度为5 ML,8 ML和10 ML的ZnCdSe/ZnS核壳结构量子点处于亮态的时间均超过95%,为非闪烁量子点。最后,将所合成的量子点应用到了发光二极管中,研究了ZnS壳层材料及厚度对发光二极管性能的影响。实验结果表明,基于Zn_(1-x)Cd_xSe梯度合金量子点构筑的器件最大外量子效率达到8.5%,最大亮度为155,330 cd/m~2。而基于不同壳层厚度的ZnCdSe/ZnS核壳结构量子点构筑的器件最大外量子效率为14.7%,最大亮度为258,998 cd/m~2。(2)ZnCdSe/ZnSe和ZnCdSe/ZnSe/ZnS核壳结构量子点的合成及其发光二极管的构筑:采用连续离子层吸附法在Zn_(1-x)Cd_xSe梯度合金核上生长了ZnSe壳层和ZnS外壳层。紫外-可见吸收光谱及荧光光谱数据显示,随着壳层厚度的增加,荧光峰及吸收峰均发生蓝移,这表明在高温环境下,量子点的核与壳之间形成了合金界面层。而且合成的所有量子点的荧光量子产率均超过了90%,其中,ZnCdSe/ZnSe/ZnS核壳结构量子点的光化学稳定性更高。最后,将所合成的量子点应用到了发光二极管中。实验结果表明,基于ZnCdSe/ZnSe核壳结构量子点所构筑的器件最大外量子效率达到了20.5%,最大亮度为460,200 cd/m~2,且效率滚降较低。而基于ZnCdSe/ZnSe/ZnS核壳结构量子点所构筑的器件最大外量子效率高达22.0%,最大亮度为283,930 cd/m~2,效率滚降也更低。如此优异的器件性能主要归功于ZnSe壳层的生长,它可以降低空穴的注入势垒,促进载流子注入平衡,从而提高器件效率。而且,ZnS外壳层既可以提高量子点的稳定性,又不会影响电荷的注入。
【图文】：

形貌,半导体材料,能级结构,尺寸变化

第一章绪论.1 半导体量子点导体材料中存在大量的以共价键/离子键相结合的原子（~1022cm-3），具态密度，所以，体相半导体材料的导带及价带能级均是连续的。而当半导减小时，电子态密度减小，其能带将会由连续的能级逐渐变为准连续的能度变大，如图 1-1 所示。当半导体材料降低到纳米尺寸时，尤其是小于该尔半径时，会表现量子尺寸效应[1, 2]。个维度上电子运动都受到限制的准零维半导体材料被称为半导体量子点，-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成，其三个维度的尺寸通常都在 2-20 nm 之间。每含有成百上千个原子，形貌一般为球形或类球形。

Ⅱ-Ⅵ族半导体,电子能级,价带,导带

图 1-2 Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米材料的电子能级(VB：价带，CB：导带)[9]。根据量子点晶核及壳层半导体材料的能级结构，核壳结构量子点主要分为三种不型，分别是 TypeⅠ、TypeⅡ、准 TypeⅡ结构，如图 1-3 所示。TypeⅠ结构，壳层材料比核材料具有更宽的带隙（与壳层材料相比，核材料具有的导带底和更高的价带顶），因此可以很好的把电子波函数和空穴波函数限域到核利于提高量子点的荧光量子产率，比如 CdSe/ZnS 核壳结构量子点[10, 11]。TypeⅡ结构，错排的带隙结构使得核与壳层材料具有比较小的有效带宽。对于这壳结构量子点，电子波函数和空穴波函数被分别限域在量子点内的不同区域（核内层内）。我们可以通过调节壳层材料和壳层厚度达到调节发射波长的目的，CdTe/C CdSe/ZnTe 核壳结构量子点[12]。准 TypeⅡ结构，，壳层材料导带底与核材料导带底能级差不多，而壳层材料的价带于核的价带顶，所以电子波函数离域在整个量子点内，空穴波函数被限域在核内，
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O471.1;O657.3;TB383.1

【参考文献】