钙钛矿量子点发光二极管

钙钛矿量子点发光二极管2018/12/171Reporter：LeqianDuBackground照明显示技术发展史2018/12/172第一代显示技术阴极射线管（CRT）一种电真空器件，通过驱动电路控制电子发射和偏转扫描，受控电子束激光涂在屏幕上的荧光材料而发出可见光。特点：亮度高、彩色鲜艳、寿命长缺点:体积大、笨重、功耗大Background照明显示技术发展史2018/12/173第二代显示技术（主流）液晶（LCD）液晶分子受电场、磁场等的影响发生可控性的偏转，从而在背光源的配合下发出不同颜色的光。优点：节省空间，低耗电、无辐射。缺点:可视角度小、维修问题，易出现“坏点”。Background照明显示技术发展史2018/12/174第三代显示技术发光二极管（LED）在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能优点：亮度高、寿命长、视角大、屏幕面积可大可小。缺点:耗电量大、价格昂贵Background2018/12/175OLED有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode,OLED）又称为有机电激光显示、有机发光半导体。由美籍华裔教授邓青云（ChingW.Tang）于1979年在实验室中发现。QLEDQLED是QuantumDotLightEmittingDiodes的缩写，是不需要额外光源的自发光技术。2018/12/176CompareOLEDwithQLED从图中可以看出，四款采用不同技术的电视相比，QLED在亮度上有明显的优势，相比之下，OLED的颜色则比较黯淡，在亮度加成下，QLED的色彩颜色也显得更加鲜艳，更加接近人眼所看到的物体。2018/12/177CompareOLEDwithQLEDSAMSUNG重心投QLED缺点:1.漏光。显像时依然会在该是纯粹黑色显像处出现漏光的状况2.视角范围不如OLED3.耗电大于OLED优点：1.颜色亮，饱和度更好。例如：波光粼粼的湖面，多层次彩色等2.反应时间快，二极管开关速度快3.屏幕尺寸大，商用价值高4.大规模生产可行，成本较OLED低2018/12/178Market全球彩电产业正进入新的一轮产业变革期，已有的彩电市场销量下降，现有的彩电技术尚未取得重大突破，黎明前最是黑暗，在下一代显示技术爆发之前，彩电市场整体呈现出低迷的状况。LED：下一个爆发点2018/12/179Perovskitequantumdotlightemittingdiode钙钛矿晶体，属于正交、四方或立方晶系钙钛矿(CaTiO3)的发现最早可以追溯到1839年。通用化学式AMX3的物质统称为钙钛矿。A代表碱土元素，M代表过渡金属元素，X代表卤族元素。2018/12/1710Perovskitequantumdotlightemittingdiode量子点1.零维2.胶体半导体发光原理：材料中载流子在接受外来能量后，达到激发态，在载流子回复至基态的过程中，会释放能量，这种能量通常以光的形式发射出去。量子点：其电子运动在三个维度上均受到约束，能量都是量子化的对于孤立原子，其荧光谱线尖锐且狭窄包含大约100-10000个原子的量子点，其谱线同样狭窄。其带隙会明显受到量子点尺寸的影响，则可通过改变其大小，很容易实现其吸收及发射光谱的调节Devicestructure2018/12/1711多层钙钛矿QLED设备的插图。a）设备结构。b）显示多层材料的横截面TEM图像具有鲜明的对比。比例尺，50纳米。c）平带能级图。钙钛矿层有机钙钛矿量子点-无机钙钛矿量子点（中间层的不同）多层结构，减少能级跳跃，有利于电子空穴的迁移Researchprogress2018/12/1712一、金属有机卤化物CH3NH3PbX3(X=Cl，Br，I)量子点的研究进展1、2012年，A.Kojima等人报道了纳米级的CH3NH3PbBr3量子点的合成，他们使用多孔铝作为模板，使合成后的CH3NH3PbBr3镶嵌在孔洞中，以具备纳米量级的大小。2、F.Zhang等人进一步进行了实验分析总得出增强的激子结合能和钝化效果良好的表面共同作用使CH3NH3PbBr3量子点的荧光量子效率超过70%。Researchprogress2018/12/1713二、无机组分CsPbX3（X=Cl，Br，I）量子点的研究进展1.2015年1月，L.Protesescu等人发表合成了CsPbX3量子点2.直径8nm，明显的光致发光，半宽高窄，荧光量子效率高90%。发光波长范围410-700nm3.2015年7月，G.Nedulcu等人发表了阴离子交换法合成CsPbX3量子的文章4.2015年，南京理工大学曾海波教授课题组团队采用ITO/PEDOT:PSS/PVK/QDs/TPBi/LiF/Al器件构型，构筑了无机钙钛矿量子点QLED器件，实现了红绿蓝三基色等多种颜色的电致发光，这是该体系QLED的首次报道。Researchprogress2018/12/1714三、新型二维半导体材料：超薄无机钙钛矿1.受强离子性以及立方晶相制约，超薄（单层、少层）CsPbBr3二维钙钛矿的大产率高质量合成仍然非常困难。2.南京理工大学曾海波团队采用溶液化学合成方法，制备了高质量、大产率、单层及少层厚度的全无机钙钛矿CsPbBr3超薄纳米片Problem：•结构不稳定2018/12/1715由于离子型晶体的钙钛矿材料不管是块状结构，二维纳米片和纳米线或者零维的量子点上，稳定性能极差。晶体结构先天性的对极性溶剂和氧气敏感。这将会严重影响围绕钙钛矿量子点为核心的光电器件。•环境不稳定虽然很多钙钛矿相关的器件仅能在氮气氛中才能相对稳定的工作,但对于一个实用的器件而言,它们将无可避免地与空气接触,面临着光、热、水汽和氧气的考验。•毒性对于无机-有机杂化钙钛矿而言,温度过高会使有机组分直接分解为有机胺气体，而对于全无机的钙钛矿CsPbX3而言,如果只在惰性气体中加热它们,CsPbX3不会降解,只在温度高于500℃时会发生PbX6八面体塌缩。•高温下不稳定Solution•离子掺杂2018/12/1716离子掺杂是调控半导体光电性能的有效手段之一.对于铅卤钙钛矿而言,离子掺杂不仅能赋予钙钛矿新颖的性能(如新的能级),而且能够有效提升其稳定性•表面钝化寻求合适的表面配体钝化量子点的表面,以减少表面缺陷、增强光学性能,同时能够抑制量子点表面被水、氧气侵蚀•表面包覆由于光照下氧气和水对PQDs造成了不同程度的破坏,为了防止钙钛矿的降解、团聚造成的效率降低,表面包覆成为提升量子点稳定性最有效的方式Prospect•未来显示技术的明星•第一，进一步提高其光转换效率非常高。目前钙钛矿量子材料在胶体溶液状态的量子转换效率达到95%，做成量子点薄膜后也可高达90%，这是非常高的转化率。•第二，进一步提高其单色性，扩大色域及生动画质。目前Avantama公司可以将绿色量子点的半峰宽控制在23nm以下。•第三，进一步降低成本优势。据Avantama公司的介绍，其钙钛矿量子点材料的生产成本较其他工艺或量子点低很多。而且容易扩大量产，这样可以进一步降低成本。另外，其量子点材料可以在常规状态下直接印刷制成背光薄膜。这样可以有效降低量子点薄膜的生产成本。•第四，最重要的一点，解决稳定性问题。2018/12/1717References•Caruge,J.M.,Halpert,J.E.,Wood,V.,Bulović,V.,&Bawendi,M.G.(2008).Colloidalquantum-dotlight-emittingdiodeswithmetal-oxidechargetransportlayers.Naturephotonics,2(4),247.•Song,J.,Li,J.,Li,X.,Xu,L.,Dong,Y.,&Zeng,H.(2015).Quantumdotlight‐emittingdiodesbasedoninorganicperovskitecesiumleadhalides(CsPbX3).AdvancedMaterials,27(44),7162-7167.•Qian,L.,Zheng,Y.,Xue,J.,&Holloway,P.H.(2011).Stableandefficientquantum-dotlight-emittingdiodesbasedonsolution-processedmultilayerstructures.Naturephotonics,5(9),543.•Kwak,J.,Bae,W.K.,Lee,D.,Park,I.,Lim,J.,Park,M.,...&Lee,S.(2012).Brightandefficientfull-colorcolloidalquantumdotlight-emittingdiodesusinganinverteddevicestructure.Nanoletters,12(5),2362-2366.2018/12/1718References•Kwak,J.,Bae,W.K.,Lee,D.,Park,I.,Lim,J.,Park,M.,...&Lee,S.(2012).Brightandefficientfull-colorcolloidalquantumdotlight-emittingdiodesusinganinverteddevicestructure.Nanoletters,12(5),2362-2366.•Zhao,J.,Bardecker,J.A.,Munro,A.M.,Liu,M.S.,Niu,Y.,Ding,I.K.,...&Ginger,D.S.(2006).EfficientCdSe/CdSquantumdotlight-emittingdiodesusingathermallypolymerizedholetransportlayer.Nanoletters,6(3),463-467.•Sun,Q.,Wang,Y.A.,Li,L.S.,Wang,D.,Zhu,T.,Xu,J.,...&Li,Y.(2007).Bright,multicolouredlight-emittingdiodesbasedonquantumdots.Naturephotonics,1(12),717.2018/12/1719References•刘翔凯,李泽华,张发焕,&皮孝东.(2016).具有优异发光性能的钙钛矿量子点研究进展.半导体技术(4),249-260.•余彬海,颜才满,饶龙石,汤勇,李宗涛,&陈松茂等.(2018).高质量钙钛矿量子点薄膜制备及性能研究.光子学报,47(2),1-8.•王鹏.(2017).液态全无机钙钛矿量子点LED的研究.(Doctoraldissertation,吉林大学).•李海洋,常春,王凛峰,徐瑶洁,纪丽珊,&李清华.(2018).有机磷配体合成稳定全无机钙钛矿量子点.南昌航空大学学报(自然科学版)(2).•张宇,陈真,孙春,于伟泳,&张铁强.(2016).基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点的稳定白光LED及制备方法.CN106025042A.2018/12/1720References•张宇,陈真,孙春,于伟泳,&张铁强.(2016).基于二氧化硅包覆钙钛矿量子点的稳定白光LED及制备方法.CN106025042A.•曾海波,李建海,许蕾梦,宋继中,董宇辉,&薛洁.(2016).一种基于无机钙钛矿材料的全无机量子点发光二极管及其制备方法.CN105552185A.2018/12/1721