多元银基硫族纳米晶的发光性能调控及电致发光器件应用

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半导体纳米晶(半导体量子点)由于其具有色纯度高、光稳定性好、荧光寿命长等一系列优异的发光性能,在光电器件和生物医学等方面受到了科学界和产业界的广泛关注。目前,基于半导体量子点的电致发光器件所使用的发光材料以镉基硫族化合物量子点为主,然而镉等重金属元素对环境和人体都有一定的危害。因此,开发一种环境友好且光电性能优异的无镉半导体纳米晶是非常有必要的。近年来,I-III-VI族半导体纳米晶由于具有发光特性优异,绿色环保,在光电子器件领域存在潜在应用等一系列优点受到了广泛关注。其中多元银基硫族半导体纳米晶凭借其发光范围高度可调、吸光系数大、光致发光量子产率高等优异的发光性能得到了研究者的青睐。目前对三元银基硫族半导体纳米晶(尤其是Ag In S2纳米晶)的研究日趋成熟,然而,三元Ag In S2纳米晶的发光主要局限于红光区域,且目前基于银基硫族半导体纳米晶构筑的电致发光器件性能亟需进一步提升。在三元Ag In S2纳米晶中引入Zn2+构筑四元体系可显著拓宽发光范围,提高半导体纳米晶的光致发光量子产率及光学稳定性。另外,Cu掺杂被认为是一种改善金属硫族纳米晶电荷载流子迁移率的有效方法,可以进一步提高半导体纳米晶的发光性能。本论文围绕四元Ag-In-Zn-S(AIZS)和五元Cu-Ag-In-Zn-S纳米晶的可控制备及发光性能调控展开研究,通过改变组分和纳米结构调控其发光性能并对其性能进行优化,探究其生长过程,并基于优化后的纳米晶构筑了电致发光器件。具体工作如下:(1)采用一步反应法制备了发光性能良好的AIZS纳米晶,通过组分调控扩大其发光范围,使其发光颜色从绿光调至红光。为进一步改善其发光性能,在AIZS纳米晶表面外延生长ZnS形成合金型AIZS-ZnS纳米晶,其中绿光材料光致发光量子产率达到47%。在此基础之上,采用注射法研究了AIZS纳米晶的形成过程,证明了AIZS纳米晶的形成是阳离子交换反应发生的结果。最后,采用全溶液处理方法以AIZS-ZnS纳米晶作为发光层构筑了绿、黄、红三色电致发光器件,其中黄光电致发光器件的电流效率达到了1.07 cd/A。(2)为进一步优化绿光电致发光器件的性能,从优化绿光纳米材料入手:在四元AIZS纳米晶的基础上,分别采用热注射法和一步反应法引入Cu元素制备了具有优异发光性能的五元Cu-Ag-In-Zn-S纳米晶,并使用不同的Zn源在其表面外延生长ZnS得到了合金型Cu-Ag-In-Zn-S-ZnS纳米晶,进一步改善其发光性能,其最大光致发光量子产率达54%。对五元Cu-Ag-In-Zn-S纳米晶的生长过程进行了研究,发现Cu的引入是Cu+与In3+发生阳离子交换反应的结果。最后,采用全溶液处理方法以Cu-Ag-In-Zn-S-ZnS纳米晶作为发光层构筑了绿光电致发光器件,绿光器件的峰值外量子效率与电流效率分别为0.33%,0.69 cd/A,其性能显著优于基于AIZS-ZnS纳米晶构筑的绿光器件。
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