InP量子點發光二極管研究

量子點（quantum dots,QDs）是一種尺寸介于1～10 nm的準零維納米材料，自從被發現以來，由于具有發射光波長可調諧、色純度高、穩定性高，激發光譜寬等優異的光電性質[1-2]，成為光電、生物、能源等多領域的研究熱點。

在眾多量子點材料中，Cd族量子點發展較為成熟，以其作為發光材料制備的QLED器件性能已經達到顯示應用的商業要求[3-4]，但其固有的重金屬毒性限制了大規模的應用和發展。與之相比，In P QDs由于無毒且發光性能好，成為替代Cd族量子點的主要選擇。近幾年，以In P作為發光層制備的QLED也取得了很大的性能提升，紅光QLED的外量子效率（external quantum efficiency,EQE）達到了22.56%[5]，但綠光和藍光分別只有16.3%[6]和2.8%[7]，仍然有較大改進空間。

1 In P量子點

In P QDs作為一種無毒量子點，被業界認為是可以有效替代Cd族和含鉛鈣鈦礦量子點的潛力軍，其波爾半徑大約為10 nm，通過尺寸調諧發射波長可以覆蓋整個可見光范圍。目前In P QDs主要通過油相溶膠-凝膠法制備，因其對水氧較為敏感，所以需在惰性氣體保護下進行[8]。由于P源的高反應活性，在成核階段一般保持在相對較低溫度，但對于均勻緊密的殼層生長階段，則需要在低反應物濃度和高反應溫度下進行[9]。近些年，In P QDs的性能得到很大的提升，在光電、生物等領域表現出較大應用潛力。

2 量子點發光二極管（QLED)

2.1 QLED的結構

QLED的器件結構與OLED相似，主要區別在于其發光層是量子點材料。目前主流的結構見圖1，包括正式（conventional）結構和反式（inverted）結構，兩者的區別在于氧化銦錫（indium tin oxide,ITO）在當中的角色是陽極還是陰極。在當前的研究進展中，正式結構表現出了更高的效率；反式結構的應用相對較晚，效率相對較低，但這種結構更易于直接與薄膜晶體管（thin film transistor,TFT）結合應用于顯示器件，而且氧化物電子傳輸層（electron transport layer,ETL）在制備過程中率先進行退火，不影響后續膜層的制備。

圖1 QLED器件的典型結構

2.2 QLED的發光原理

量子點作為發光材料，其發光方式有兩種：光致發光和電致發光。前者中主要是量子點通過被光激發產生電子空穴對，退激發輻射復合發光；后者中電子和空穴通過電注入產生，并在有源區發生輻射復合發光。QLED是一種電致發光器件，其發光原理是空穴和電子分別通過陽極和陰極，經空穴傳輸層和電子傳輸層到達發光層。在之前的研究中，學者們普遍采用半導體材料電致發光原理，認為當在QLED中注入的電子和空穴在材料中距離足夠近時，就可以依靠庫倫作用力結合形成激子。但是新的研究[10]表明，在QLED中激子的產生經歷了“基態—負電中間態—激子態”的過程，見圖2。在該過程中由于電子傳輸性能更優異，導致量子點可以率先獲得電子成為負電中間態。負電態一方面抑制了電子的進一步注入，另一方面給本來注入效率相對較低的空穴提供了注入動力。

圖2 QLED的發光原理[10]

文章引用

[1]崔忠杰,梅時良,郭睿倩.InP量子點發光二極管研究進展[J].光源與照明,2022,(S1):118-122+128.

InP量子點因其發光性能優異和無毒的優勢，替代Cd族和含鉛鈣鈦礦量子點成為量子點發光二極管（quantum dot light emitting diode,QLED）發光材料的主要選擇。近幾年，InP QLED器件發展迅速，紅、綠和藍光器件效率分別達到了22.56%、16.3%和2.8%，但相比于Cd族量子點仍有較大的研究空間。文章從不同基色InP QLED中發光層優化研究、InP QLED中載流子傳輸層研究兩方面總結了InP QLED的研究進展，內容主要集中于發光層材料的優化和界面層的選擇，其性能的進一步提升仍需著眼于材料和結構的雙重研究。