InP量子点发光二极管研究

量子点（quantum dots,QDs）是一种尺寸介于1～10 nm的准零维纳米材料，自从被发现以来，由于具有发射光波长可调谐、色纯度高、稳定性高，激发光谱宽等优异的光电性质[1-2]，成为光电、生物、能源等多领域的研究热点。

在众多量子点材料中，Cd族量子点发展较为成熟，以其作为发光材料制备的QLED器件性能已经达到显示应用的商业要求[3-4]，但其固有的重金属毒性限制了大规模的应用和发展。与之相比，In P QDs由于无毒且发光性能好，成为替代Cd族量子点的主要选择。近几年，以In P作为发光层制备的QLED也取得了很大的性能提升，红光QLED的外量子效率（external quantum efficiency,EQE）达到了22.56%[5]，但绿光和蓝光分别只有16.3%[6]和2.8%[7]，仍然有较大改进空间。

1 In P量子点

In P QDs作为一种无毒量子点，被业界认为是可以有效替代Cd族和含铅钙钛矿量子点的潜力军，其波尔半径大约为10 nm，通过尺寸调谐发射波长可以覆盖整个可见光范围。目前In P QDs主要通过油相溶胶-凝胶法制备，因其对水氧较为敏感，所以需在惰性气体保护下进行[8]。由于P源的高反应活性，在成核阶段一般保持在相对较低温度，但对于均匀紧密的壳层生长阶段，则需要在低反应物浓度和高反应温度下进行[9]。近些年，In P QDs的性能得到很大的提升，在光电、生物等领域表现出较大应用潜力。

2 量子点发光二极管（QLED)

2.1 QLED的结构

QLED的器件结构与OLED相似，主要区别在于其发光层是量子点材料。目前主流的结构见图1，包括正式（conventional）结构和反式（inverted）结构，两者的区别在于氧化铟锡（indium tin oxide,ITO）在当中的角色是阳极还是阴极。在当前的研究进展中，正式结构表现出了更高的效率；反式结构的应用相对较晚，效率相对较低，但这种结构更易于直接与薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）结合应用于显示器件，而且氧化物电子传输层（electron transport layer,ETL）在制备过程中率先进行退火，不影响后续膜层的制备。

图1 QLED器件的典型结构

2.2 QLED的发光原理

量子点作为发光材料，其发光方式有两种：光致发光和电致发光。前者中主要是量子点通过被光激发产生电子空穴对，退激发辐射复合发光；后者中电子和空穴通过电注入产生，并在有源区发生辐射复合发光。QLED是一种电致发光器件，其发光原理是空穴和电子分别通过阳极和阴极，经空穴传输层和电子传输层到达发光层。在之前的研究中，学者们普遍采用半导体材料电致发光原理，认为当在QLED中注入的电子和空穴在材料中距离足够近时，就可以依靠库伦作用力结合形成激子。但是新的研究[10]表明，在QLED中激子的产生经历了“基态—负电中间态—激子态”的过程，见图2。在该过程中由于电子传输性能更优异，导致量子点可以率先获得电子成为负电中间态。负电态一方面抑 制了电子的进一步注入，另一方面给本来注入效率相对较低的空穴提供了注入动力。

图2 QLED的发光原理[10]

文章引用

[1]崔忠杰,梅时良,郭睿倩.InP量子点发光二极管研究进展[J].光源与照明,2022,(S1):118-122+128.

InP量子点因其发光性能优异和无毒的优势，替代Cd族和含铅钙钛矿量子点成为量子点发光二极管（quantum dot light emitting diode,QLED）发光材料的主要选择。近几年，InP QLED器件发展迅速，红、绿和蓝光器件效率分别达到了22.56%、16.3%和2.8%，但相比于Cd族量子点仍有较大的研究空间。文章从不同基色InP QLED中发光层优化研究、InP QLED中载流子传输层研究两方面总结了InP QLED的研究进展，内容主要集中于发光层材料的优化和界面层的选择，其性能的进一步提升仍需着眼于材料和结构的双重研究。