梯度核壳结构量子点制备及发光应用研究

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胶体量子点(CQDs)由于具有宽而连续的激发光谱、发射光谱峰位可调、半峰宽窄、发光效率高、稳定性好等优点,已广泛应用在激光、发光二极管(LED)、太阳能电池、生物标记等领域。但是在发光器件上,量子点仍存在许多不足之处。首先,蓝光量子点由于Zn Cd S核与Zn S壳层能级较为接近,设计合金层会让电子更容易被壳层表面缺陷捕获,造成量子点中激子损失,另外由于Zn2+和Cd2+反应前驱体活性差异大,难以精确控制中间合金单层的组成和结构,使得量子点缺陷增多,这些问题导致蓝光量子点放大自发辐射(ASE)阈值偏高。其次,目前技术较为成熟的是镉基量子点,然而镉具有剧毒性,极大地限制了其市场化应用。磷化铟(InP)量子点由于低的毒性并且光学性质与镉基量子点相似,显示出取代镉基量子点的潜力。但InP绿光量子点由于InP核与壳层之间晶格失配严重,导致量子点表面张力大,缺陷多,光致发光量子产率(PL QY)低,LED器件性能差。因此,本文的工作主要围绕以上两个问题展开。1.我们用十烷基硫醇(DCT)替代传统的三辛基膦硫(TOP-S)作为S源,同时利用DCT(路易斯软碱)作为配体来平衡Cd2+(路易斯软酸)和Zn2+(边界酸)的反应活性,从而实现结构成分可以精确控制的合金壳层的生长。随后在合金层外面包覆厚的Zn S壳层来抑制电荷泄漏,最后得到各合金单层组分均匀、大尺寸的梯度合金壳层核壳量子点,不仅有效地释放了量子点的表面张力,减少了量子点缺陷,还抑制了俄歇复合等非辐射复合过程。在纳秒激光器激发下,梯度合金壳层核壳量子点的ASE阈值低至28μJ/cm2,较单一Zn S壳层量子点和纯合金壳层量子点分别降低了约27和9倍。特别地,梯度合金壳层核壳量子点28μJ/cm2的ASE阈值,为目前报道的蓝光量子点基ASE的最低值。2.我们利用乙酰丙酮镓(Ga(acac)3)作为镓源,通过乙酰丙酮基对表面配体的活化作用,在高温下生成具有梯度合金组分的In1-xGaxP核,然后进行Zn Se壳层和Zn S壳层的包覆。梯度合金核的存在有效解决了传统InP核与Zn Se壳层之间的晶格失配问题,使得In1-xGaxP核壳量子点的PL QY高达82%,LED器件外量子效率(EQE)达3.1%,分别较传统InP/Zn Se/Zn S核壳量子点提高了25%和近一倍。为进一步改善电荷注入效率,我们对In1-xGaxP/Zn Se/Zn S核壳量子点进行配体交换,用短链的己酸取代长链的十六酸,最终LED器件的最大亮度达2672cd/m2,是配体交换前的两倍之多,最大外量子效率也从配体交换前的3.1%提升到3.8%,有效地改善了LED器件的性能。
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