金属氧化物作为电子传输层的高色纯度蓝光ZnSe/ZnS核壳量子点LED的制备和光电性能研究

In this project, the study on fabrication and performances of high purity blue ZnSe core/shell QD-LEDs are systematically carried out. First the size-controllable ZnSe cores are prepared by chemical methods such as hot injection. Their surfaces are coated with different thickness ZnS shells and some organic functional ligands are used to modify the optical properties of the ZnSe QDs. Second the metal oxide nanocrystal films such as ZnO, TiO2 and SnO2 films are used as electron transport layers and the inverted ZnSe QD-LEDs are fabricated. The effect of the QD size and shell thickness as well as the thermal annealing on the luminous efficiency and maximum luminance are studied to optimize the structure of the QDs and their devices. In addition, the interaction between ZnSe/ZnS core/shell QDs with different shell thicknesses and the the metal oxide nanocrystal films are studied to understand the effect of surface functional ligands and shells on the luminescent properties of the QD thin films. The energy and charger transfer processes between the QDs and the oxide films are discussed to design the surface structure of the QD, significantly enhance the injection of carriers into the QDs and luminescent efficiency of the QDs, and explore the work mechanism of the QD-LEDs. These researches on the key scientific questions above are very important to improve the performance of ZnSe QD-LEDs and develop next generation blue devices with high efficiency and high purity.

本项目将致力于开展高色纯度的蓝光ZnSe/ZnS核壳量子点发光二极管（LED）的制备和光电性能研究。首先以热注入法合成粒径可控的ZnSe核纳米晶，再在其表面包覆各种厚度ZnS壳层和有机配体来调控量子点的发光性质。然后利用金属氧化物纳米晶薄膜作为电子传输层制备倒置结构的ZnSe量子点LED，研究量子点的尺寸和壳层厚度以及量子点薄膜的热处理等对器件的发光效率和最大亮度的影响，优化量子点及其器件的结构。另外，研究各种ZnS壳层厚度包覆的ZnSe量子点与金属氧化物纳米晶薄膜的相互作用，探讨表面有机修饰对量子点膜层的发光性质的影响，分析量子点与电子和空穴传输材料之间的电荷和能量转移，构建优化的量子点表面壳层结构，有效地增强量子点中载流子的注入和复合效率,理解LED的工作原理。上述关键科学问题的研究，对改善ZnSe量子点LED的性能，发展新一代的高效蓝光器件具有重要的现实意义。

半导体量子点是一种新型的发光纳米材料，它具有尺寸调谐的吸收带隙和发光波长、窄的发射线宽、高效的发光效率和简单的溶液处理等特性，因此可以广泛地应用于制备低成本的大面积发光器件和固态照明领域。目前，高性能的量子点白光LED因为含有镉、铅等有毒重金属，极易污染环境并危害人类健康，这必将影响其广泛的应用。因此，研究环境友好型的量子点LED（例如CuInS2、InP和ZnSe等量子点LED）就显得极为重要。然而这些环境友好型的量子点白光LED的某些发光性能远低于Cd基或Pb基量子点LED。因此研究CuInS2、InP和ZnSe等系列量子点的发光特性及其白光LED的制备优化显得尤为迫切。本项目主要通过制备上述量子点材料，研究其类型、峰值波长、半高峰宽（FWHM）和能量传递以及封装结构等对量子点白光LED性能的影响。具体的工作如下：.（1）以热注入法合成了粒径可控的CuInS2量子点材料（CIS-535和CIS-638）并制备了相应的白光LED。研究发现，LED显色指数可以通过填充红光量子点材料的方法来提高，但是其发光效率受红光量子点材料发光光谱的半高峰宽的影响。.（2）制备了基于分层结构的CIS638/CIS535、CIS/CdSe和CdSe/CIS量子点LED以及直接混合的CdSe+CIS 基量子点白光LED，通过调整色转换材料的堆叠次序，获得的量子点LED效率高达90.64 lm/W，显色指数为80.3，相关色温为3213 K，改善了白光LED的发光性能。.（3）通过壳层掺铝、多壳层以及填充分散介质来改善量子点的发光稳定性。结果表明壳层掺铝可以较大程度地提升量子点的发光稳定性，并能获得高显色指数和低色温的白光LED。多壳层量子点虽可有效提高光热稳定性，但是器件的发光效率需要视具体材料所定，填充介质的选取则需要综合考虑量子点的配体、缺陷和发光特性等。.（4）研究了CuInS2量子点敏化太阳能电池的电子注入和器件性能与粒子尺寸之间的依赖关系。实验结果发现，随着粒子尺寸减小，电子注入速率略微增加而电子注入效率减小，表明量子点敏化太阳能电池性能的优化可以通过改变量子点的尺寸来实现。