CN117425363A - 一种高亮度纯红光发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高亮度纯红光发光二极管，包括依次设置的ITO导电玻璃、空穴注入层、空穴传输层、钙钛矿量子点发光层、电子传输层、电极层；其中，所述钙钛矿量子点发光层包括有表面配体，所述配体含有酰胺官能团、且主链上碳原子数小于等于6个，所述配体由含有酰胺官能团的溴源前驱体水解后原位生成；所述钙钛矿发光二极管亮度大于20000cd m‑2。本发明制备出的发光二极管具有高亮度的技术效果，能保持较好的光学性能。
Description
技术领域
本发明属于量子点发光二极管技术领域，尤其涉及一种高亮度纯红光发光二极管。
背景技术
半导体量子点具有易溶液加工，带隙可调，量子产率高，色纯度高等优势。在显示领域，是可量产的显示发光材料。钙钛矿量子点作为“明星”半导体量子点，还兼具光吸收能力强，载流子迁移率高，缺陷容忍度好等特点，有望成为新一代显示材料。
金属卤化物钙钛矿发光二极管(Pe LEDs)在性能方面取得了巨大的进步，有望成为下一代显示器的候选者。作为关键光电器件之一，用于宽色域显示的高效稳定的纯红色Pe LEDs(波长620～650nm)却远远落后，绿光钙钛矿LEDs的亮度最高已超30 0000cd m-2，相比之下，纯红光Pe LEDs仅有几千cd m-2。
钙钛矿量子点表面往往存在较多的表面配体来稳定晶格结构，但是这些配体具有绝缘属性，用于钙钛矿LED发光层时阻碍载流子的注入，导致亮度降低。
此外，通过调整钙钛矿化学计量中溴和碘阴离子的组成可以很容易实现纯红光波段的发射，但Br和I离子在外界压力下很容易发生相分离，材料的稳定性极差。因此，找到合适的制备纯红光钙钛矿量子点的方法，对于促进钙钛矿量子点发光二极管在显示领域的发展具有意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高亮度纯红光发光二极管，为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高亮度纯红光发光二极管，包括依次设置的ITO导电玻璃、空穴注入层、空穴传输层、钙钛矿量子点发光层、电子传输层、电极层；
其中，所述钙钛矿量子点发光层包括有表面配体，所述配体含有酰胺官能团、且主链上碳原子数小于等于6个，所述配体由含有酰胺官能团的溴源前驱体水解后原位生成；
所述钙钛矿发光二极管亮度大于2 0000cd m-2。
进一步地，所述空穴传输层包括：聚(9-乙烯咔唑)(PVK)、聚[(4,4′-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺)](PolyTPD)、聚[9,9-二辛基芴-共-N-[4-(3-甲基丙基)]-二苯基胺](TFB)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)中的一种或多种。
进一步地，电子传输层包括1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、2,4,6-三[3-(二苯基膦氧基)苯基]-1,3,5-***(PO-T2T)、二[2-((氧代)二苯基膦基)苯基]醚(DPEPO)、3,3'-[5'-[3-(3-吡啶基)苯基][1,1':3',1”-三联苯]-3,3”-二基]二吡啶(TmPyPB)中的一种或多种。
进一步地，所述钙钛矿量子点发光层中的钙钛矿量子点制备方法包括如下步骤：
提供一种含有铯(Cs)，甲脒(FA)，甲基铵(MA)中一种或多种的一价阳离子前驱体；
提供一种含有酰胺官能团的溴源前驱体；
提供一种含有碘元素的铅源前驱体；
提供一种由酸和胺组成的混合稳定剂；
将所述混合稳定剂、含有酰胺官能团的溴源前驱体以及含有碘元素的铅源前驱体共混，得到溴碘混合前驱体，此时含有酰胺官能团的溴源前驱体原位生成配体；
将所述一价阳离子前驱体加入所述溴碘混合前驱体中反应，得到钙钛矿量子点。
所述钙钛矿量子点发光层为采用上述方法制得的钙钛矿量子点旋涂成膜。其旋涂成膜的方法为现有技术，详情可参阅公开号为CN116314523A、CN115224226A的中国专利，在此不再赘述。
进一步地，所述混合稳定剂中的酸包括油酸，十八烷基膦酸，辛基膦酸，双(2,4,4-三甲基戊基)膦酸，苯磺酸中的一种或多种。
进一步地，所述混合稳定剂中的胺包括油胺，辛胺中的至少一种。
进一步地，所述反应条件为：在惰性气氛中加热至温度150-200℃；
在上述反应条件下将一价阳离子前驱体加入至溴碘混合前驱体中。
进一步地，所述溴源前驱体分子的主链上碳原子数小于等于6个。
进一步地，所述含有碘元素的铅源前驱体由含有碘元素的前驱体与铅源共混组成，或选用碘化铅(PbI2)。
进一步地，所述含有碘元素的前驱体包括碘化锌(ZnI2)，碘化铅(PbI2)，碘化锶(SrI2)，碘化锆(ZrI4)，碘化钴(CoI2)中的一种或者多种。例如ZnI2和SrI2以1：1的比例混合加入。
进一步地，所述铅源包括醋酸铅(Pb(AC)2)，碘化铅(PbI2)，油酸铅(Pb(OA)2，硬酯酸铅中的一种或者多种。
进一步地，所述含有酰胺官能团的溴源前驱体包括2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺，2-溴丁酰胺，2-溴丙酰胺，2-溴丙二酰胺，2，3-二溴丙酰胺，二溴丙二酰胺，2-溴乙酰胺，3，4-二溴-1H-吡咯-2，5-二酮中的一种或者多种。
进一步地，所述一价阳离子前驱体包括油酸铯Cs(OA)、醋酸甲脒(FA-acetate)和醋酸甲基铵(MA-acetate)中的一种或多种。具体制备作如下简述：
一价阳离子前驱体可以是油酸铯Cs(OA)，制备方法可以是：称取碳酸铯Cs2CO3加入到三颈烧瓶中,随后向烧瓶中加入油酸(OA)用来溶解碳酸铯(Cs2CO3)以及十八烯(ODE)作为溶剂，将三颈烧瓶抽真空并搅拌一段时间后，向三颈烧瓶中充入惰性气氛。
一价阳离子前驱体可以是醋酸甲脒(FA-acetate)，制备方法可以是：称取5mmolFA-acetate加入到三颈烧瓶中,随后向烧瓶中加入20mL油酸(OA)，将三颈烧瓶抽真空并搅拌一段时间后，向三颈烧瓶中充入惰性气氛，加热搅拌。
进一步地，所述纯红光发射波段在620-660nm之间。发射峰位会因反应温度，加入含碘化合物的摩尔量，加入含有酰胺官能团的溴源前驱体的摩尔量而变化。
进一步地，混合稳定剂中的酸和胺中存在酸碱平衡反应，产物中含有微量的水，这为后续的溴源分子水解反应提供了条件。
进一步地，钙钛矿量子点的耐醇性质有利于实现全溶液法钙钛矿发光二极管的制备。
本发明的有益效果主要体现在：
1、本申请选用含有酰胺官能团的溴源，这种卤化物前驱体可以发生水解反应使羟基取代溴原子，从而溴脱落形成溴化氢，进入晶格形成溴碘混合钙钛矿量子点；此外，酰胺分子作为配体可以分别与量子点表面的卤素原子和铅原子形成强配位效果，稳定量子点的晶格。脱去溴的酰胺配体由于含有反应生成的羟基官能团，使得这种量子点具有特殊的耐醇性质，有利于实现全溶液法钙钛矿发光二极管的制备。当含有酰胺官能团的溴源前驱体分子链较短时(主链上碳原子数小于等于6个)，所制备的钙钛矿发光二极管的亮度高，性能优异。这为得到纯红光发射的钙钛矿量子点提供了一种有效可行的解决方案，加速钙钛矿量子点在显示领域的拓展应用。
2、本申请钙钛矿量子点表面配体中的羟基基团为原位生成，而并非直接添加含有羟基基团的配体，这使得含有羟基基团的配体配位到钙钛矿量子点表面时，过程比较缓慢，反应不会那么剧烈，这会减缓羟基基团对钙钛矿量子点产生的破坏。此外，配体中酰胺分子的NH2可以与量子点表面的Br和I原子形成强配位，酰胺分子的C＝O可以与铅原子形成强配位，从而锚定晶格，稳定量子点结构。由于酰胺分子的强配位效果，使得配体中另一端羟基基团不与量子点直接接触，从而避免具有较高极性的羟基官能团对量子点的结构造成破坏。此外，由酸和胺组成的混合稳定剂，还能避免酰胺分子上的羟基基团与量子点直接接触。
3、本申请采用的钙钛矿量子点薄膜表面的配体链长较短，并且由于酰胺中的NH2可以与量子点表面的Br或I原子形成强配位，酰胺分子的C＝O可以与铅原子形成强配位，从而锚定晶格，稳定量子点结构，保证了量子点溶液旋涂成膜的过程中，配体不会随着辛烷溶剂挥发，导致量子点薄膜暴露出大量缺陷，影响光学性能。因此制备出的发光二极管具有较佳的性能，表现为22％以上的外量子效率和20000cdm-2以上的亮度。
附图说明
图1为本发明实施例1中所获得的纯红光发射的钙钛矿量子点的紫外-可见分光光谱以及荧光光谱。
图2为本发明实施例1中所使用的2-溴乙酰胺分子水解反应过程示意图。
图3为本发明实施例1中所制备的CsPb(Br/I)3量子点在原溶液环境和在醇溶剂环境下光学性能的变化图。
图4为对比例1中所制备的CsPb(Br/I)3量子点在原溶液环境和在醇溶剂环境下光学性能的变化图。
图5为对比例2中聚合物包覆的耐醇性量子点在原溶液环境和在醇溶剂环境中的光学性能变化图。
图6为对比例2中聚合物包覆的耐醇性量子点所制备的钙钛矿发光二极管的电流密度-电压-亮度曲线。
图7为实施例2中的钙钛矿发光二极管的外量子点效率-亮度曲线。
图8为实施例2制备的钙钛矿发光二极管的电流密度-电压-亮度曲线。
图9为对比例3中发光二极管的外量子效率-亮度曲线图。
图10为对比例3所制备钙钛矿发光二极管后的电流密度-电压-亮度曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一些实施例中，还可以包括对合成完毕的量子点进行提纯处理的方法。例如：将原液转移到离心管中进行低速离心，取离心后的上层清液，加入一定量的反溶剂来沉淀钙钛矿量子点并进行高速离心处理；将其沉淀分散在辛烷或者甲苯中，并用0.22μm的有机系过滤头过滤收集，得到纯红光发射的钙钛矿量子点溶液。在一定的条件下，还可重复以上步骤，继续向钙钛矿量子点溶液加入反溶剂并高速离心。
在一些实施例中，全溶液法的钙钛矿发光二极管的电子传输层可以包括ZnO，NiOx的前驱体溶液或者纳米晶中的一种或多种。
在一些实施例中，全溶液法的钙钛矿发光二极管的电子传输层的分散溶剂可以是乙醇，异丙醇，甲苯，辛烷，己烷中的一种或多种。
以下通过实施例对本发明进行进一步详细说明：
实施例1：
量子点的制备：称取88mg PbI2，276mgZnI2，100mg 2-溴乙酰胺加入到25mL三颈烧瓶中，向烧瓶中加入5mL的十八烯(ODE)、2mL的双(2,4,4-三甲基戊基)膦酸(DSPA)和2.4mL的油胺(OAm)以得到溴碘混合前驱体；将三颈烧瓶抽20min真空，以去除装置内多余的水氧等成分，随后在惰性气氛中加热到170℃，此过程一直保持磁力搅拌状态；取0.4mL所制备的油酸铯前驱体快速注入到溴碘混合前驱体中混合，反应5s后，用冰水浴快速冷却至室温，得到卤素混合的纯红光发射CsPb(Br/I)3量子点原液。经过后续提纯处理，得到钙钛矿量子点。
由于本申请中的前驱体，例如含有碘元素的铅源前驱体为固体，混合稳定剂中的酸和胺一方面用于溶解这一类固体前驱体，使得反应在液相中进行。另一方面，混合稳定剂中的酸和胺中存在酸碱平衡反应，产物中含有微量的水，这为后续的溴化物分子的水解反应提供了条件。
本实施例的钙钛矿量子点在高温下反应，结晶质量好，并且含有酰胺基团的溴分子由于水解反应原位生成的配体含有羟基官能团，使得这种量子点具有独特的耐醇性质。如图1为本实施例中CsPb(Br/I)3量子点的紫外-可见分光光谱以及荧光光谱。图2为2-溴乙酰胺分子水解反应过程示意图。图3为本实施例中所制备的CsPb(Br/I)3量子点在原溶液环境和在强极性溶剂乙醇环境下光学性能的变化图。可以看出，本实施例中的量子点在强极性溶剂乙醇环境下仍然具有较佳的光学性能。因此，采用含有酰胺基团的溴源前驱体，可以得到耐醇性好，符合显示应用的纯红光发射的钙钛矿量子点。
实施例2：
发光二极管的制备：
一种发光二极管，包括ITO导电玻璃、空穴注入层、空穴传输层、钙钛矿量子点发光层、电子传输层、电极层，其中所述钙钛矿量子点发光层为采用实施例1方法制得的钙钛矿量子点旋涂成膜。
用丙酮-水-无水乙醇分别进行15分钟超声清洗ITO导电玻璃，再用等离子体处理衬底表面。以4000转/分钟旋涂PEDOT:PSS水溶液50秒，并于160℃退火15分钟。以2000转/分钟旋涂PTAA氯苯溶液50秒，并于170℃退火20分钟。以4000转/分钟旋涂实施例1中所制备的钙钛矿量子点辛烷溶液60秒，真空热蒸镀制备电子传输层TPBi，蒸速为厚度为80nm。真空热蒸镀制备负极LiF和AI，LiF蒸速为/>厚度为1nm，Al蒸速为/>厚度为100nm。
本实施例中采用的钙钛矿量子点薄膜表面的配体链长较短，并且由于酰胺中的NH2可以与量子点表面的Br或I原子形成强配位，酰胺分子的C＝O可以与铅原子形成强配位，从而锚定晶格，稳定量子点结构，保证了量子点溶液旋涂成膜的过程中，配体不会随着辛烷溶剂挥发，导致量子点薄膜暴露出大量缺陷，影响光学性能。因此本实施例中的发光二极管具有较佳的性能，表现为22％以上的外量子效率和20000cdm-2以上的亮度。图7为本实施例中发光二极管的外量子效率-亮度曲线图。
图8为本实施例所制备钙钛矿发光二极管后的电流密度-电压-亮度曲线。
实施例3：
全溶液法制备发光二极管：用丙酮-水-无水乙醇分别进行15分钟超声清洗ITO导电玻璃，再用等离子体处理衬底表面。以4000转/分钟旋涂PEDOT:PSS水溶液50秒，并于160℃退火15分钟。以2000转/分钟旋涂PTAA氯苯溶液50秒，并于170℃退火20分钟。以4000转/分钟旋涂实施例1中所制备的钙钛矿量子点辛烷溶液60秒，以4000转/分钟旋涂电子传输层ZnO的异丙醇溶液60秒，并于80℃退火10分钟。真空热蒸镀制备负极AI，蒸速为厚度为100nm。
本实施例中的钙钛矿量子点由于具有较佳的耐醇特性，因此在量子点薄膜上旋涂异丙醇溶液，量子点薄膜的光学性能并不会受到影响；此外，本发明的量子点薄膜具有较好的导电性，不会影响电荷载流子的注入与输运，从而保证了发光二极管的较佳性能。
全溶液法制备的发光二极管大大简化了其制备工艺，后续只需简单地蒸镀电极材料便可应用；蒸镀的电子传输层价格昂贵，成本高，全溶液法制备的LED可大大节约成本；此外，ZnO作为一种无机电子传输材料，相较于蒸镀的有机电子传输材料小分子，具有更好的稳定性，从而有助于提升钙钛矿发光二极管的工作稳定性。因此全溶液法制备LED有广阔的显示发展前景。我们所制备的耐醇性的钙钛矿量子点是有效制备全溶液法钙钛矿发光二极管的前提与保证。
对比例1：
CsPb(Br/I)3量子点的制备：称取16mg PbBr2,40mg PbI2加入到25mL三颈烧瓶中，向烧瓶中加入5mL的十八烯(ODE)、0.5mL的油酸(OA)和0.5mL的油胺(OAm)；将三颈烧瓶抽20min真空，以去除装置内多余的水氧等成分，随后在惰性气氛中加热到170℃，此过程一直保持磁力搅拌状态；取0.4mL所制备的油酸铯前驱体快速注入到溴碘混合前驱体中混合，反应5s后，用冰水浴快速冷却至室温，得到纯红光发射CsPb(Br/I)3量子点原液。经过后续提纯处理，得到用于测试的钙钛矿量子点。图4为本实施例中所制备的CsPb(Br/I)3量子点在原溶液环境和在醇溶剂环境下光学性能的变化图。从图中可以看出，在醇溶剂环境下，量子点几乎完全丧失光学性能。
对比例2：
CsPb(Br/I)3量子点的制备：称取16mg PbBr2,40mg PbI2,88mg1-十八烯马来酸酐聚合物加入到25mL三颈烧瓶中，向烧瓶中加入5mL的十八烯(ODE)、1mL的油酸(OA)和1.2mL的油胺(OAm)；将三颈烧瓶抽20min真空，以去除装置内多余的水氧等成分，随后在惰性气氛中加热到170℃，此过程一直保持磁力搅拌状态；取0.4mL所制备的油酸铯前驱体快速注入到溴碘混合前驱体中混合，反应5s后，用冰水浴快速冷却至室温，得到纯红光发射的CsPbI3量子点原液。经过后续提纯处理，得到用于测试的钙钛矿量子点。本对比例可以制备聚合物包覆的纯红光发射的钙钛矿量子点，具有一定的耐醇特性。
图5为在原溶液环境和在醇溶剂环境中的光学性能变化图。但是由于量子点表面包覆的聚合物具有绝缘特性，导电性差，在制备成钙钛矿发光二极管的过程中，电荷载流子很难注入到钙钛矿量子点内，形成激子发光。图6为本对比例所制备的钙钛矿发光二极管的电流密度-电压-亮度曲线，在高电压的条件下，电流密度仍然非常小，说明载流子很难注入到量子点中，并且基本没有启亮。因此不利于钙钛矿发光二极管的制备。
在本申请中，对比例2和实施例1所制备出的钙钛矿量子点，均采用实施例2的方式去制备钙钛矿发光二极管。
对比例3：
与实施例1不同之处在于：将含有酰胺官能团的溴源前驱体选用11-溴十一胺，该溴源前驱体的主链长度大于6个，且该溴源前驱体中同样含有NH2和C＝O；其余与实施例1相同；
并采用实施例2发光二极管的制备方法进行制备；
图9为本对比例中发光二极管的外量子效率-亮度曲线图。
图10为本对比例所制备钙钛矿发光二极管后的电流密度-电压-亮度曲线。
综上所述，本发明提供一种高亮度的量子点发光二极管，由于钙钛矿量子点特殊的耐醇性质且所使用的溴源前驱体分子的主链上碳原子数小于等于6个，有利于实现全溶液法钙钛矿发光二极管的制备。我们利用这种方法制备的纯红光发光二极管，可实现超过2万坎德拉的亮度，发射波长符合国际照明委员会(CIE)和Rec.2020标准，有望应用在喷墨打印技术、显示屏领域和电致发光二极管领域，加速钙钛矿量子点在显示领域的发展。
Claims (10)
1.一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，包括依次设置的ITO导电玻璃、空穴注入层、空穴传输层、钙钛矿量子点发光层、电子传输层、电极层；
其中，所述钙钛矿量子点发光层包括有表面配体，所述配体含有酰胺官能团、且主链上碳原子数小于等于6个，所述配体由含有酰胺官能团的溴源前驱体水解后原位生成。
2.根据权利要求1所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，所述空穴传输层包括：聚(9-乙烯咔唑)(PVK)、聚[(4,4′-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺)](PolyTPD)、聚[9,9-二辛基芴-共-N-[4-(3-甲基丙基)]-二苯基胺](TFB)、聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，电子传输层包括1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯(TPBi)、2,4,6-三[3-(二苯基膦氧基)苯基]-1,3,5-***(PO-T2T)、二[2-((氧代)二苯基膦基)苯基]醚(DPEPO)、3,3'-[5'-[3-(3-吡啶基)苯基][1,1':3',1”-三联苯]-3,3”-二基]二吡啶(TmPyPB)中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，所述钙钛矿发光二极管亮度大于2 0000cd m-2。
5.根据权利要求1所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，全溶液法的钙钛矿发光二极管的电子传输层包括ZnO，NiOx的前驱体溶液或者纳米晶中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，全溶液法的钙钛矿发光二极管的电子传输层的分散溶剂包括乙醇，异丙醇，甲苯，辛烷，己烷中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，所述纯红光发射波段在620-660nm之间。
8.根据权利要求1-6任意所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，所述钙钛矿量子点发光层中的钙钛矿量子点制备方法包括如下步骤：
提供一种含有铯(Cs)，甲脒(FA)，甲基铵(MA)中一种或多种的一价阳离子前驱体；
提供一种含有酰胺官能团的溴源前驱体；
提供一种含有碘元素的铅源前驱体；
提供一种由酸和胺组成的混合稳定剂；
将所述混合稳定剂、含有酰胺官能团的溴源前驱体以及含有碘元素的铅源前驱体共混，得到溴碘混合前驱体；
将所述一价阳离子前驱体加入所述溴碘混合前驱体中反应，得到钙钛矿量子点，所述反应条件为：在惰性气氛中加热至温度150-200℃。
9.根据权利要求8所述的一种高亮度纯红光发光二极管，其特征在于，所述混合稳定剂中的酸包括油酸，十八烷基膦酸，辛基膦酸，双(2,4,4-三甲基戊基)膦酸，苯磺酸中的一种或多种；
所述混合稳定剂中的胺包括油胺，辛胺中的至少一种。
10.根据权利要求8所述的一种高亮度纯红光发光二极管，所述含有酰胺官能团的溴源前驱体包括2,2-二溴-3-次氮基丙酰胺，2-溴丁
酰胺，2-溴丙酰胺，2-溴丙二酰胺，2，3-二溴丙酰胺，二溴丙二酰胺，
2-溴乙酰胺，3，4-二溴-1H-吡咯-2，5-二酮中的一种或者多种。
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