具有量子阱能级结构的合金材料、制备方法及半导体器件技术

本发明专利技术公开具有量子阱能级结构的合金材料、制备方法及QLED，所述合金材料包含N个在径向方向上依次排布的结构单元，其中N≥1；所述结构单元为径向方向上越向外能级宽度越宽的渐变合金组分结构；相邻的结构单元的能级宽度是不连续的。本发明专利技术提供了一种具有从内到外沿径向方向的突变合金组分的新型合金材料，其不仅实现了更高效的发光效率，同时也更能满足QLED器件及相应显示技术对合金材料的综合性能要求，是一种适合QLED器件及显示技术的理想合金材料。

【技术实现步骤摘要】
具有量子阱能级结构的合金材料、制备方法及半导体器件
本专利技术涉及量子点领域，尤其涉及具有量子阱能级结构的合金材料、制备方法及半导体器件。
技术介绍
量子点是一种在三个维度尺寸上均被限制在纳米数量级的特殊材料，这种显著的量子限域效应使得量子点具有了诸多独特的纳米性质：发射波长连续可调、发光波长窄、吸收光谱宽、发光强度高、荧光寿命长以及生物相容性好等。这些特点使得量子点在平板显示、固态照明、光伏太阳能、生物标记等领域均具有广泛的应用前景。尤其是在平板显示应用方面，基于量子点材料的量子点电致发光二极管器件（Quantumdotlight-emittingdiodes，QLED）借助于量子点纳米材料的特性和优化，已经在显示画质、器件性能、制造成本等方面展现出了巨大的潜力。虽然近年来QLED器件在各方面的性能不断得到提升，但无论是在器件效率还是在器件工作稳定性等基本器件性能参数上还与产业化应用的要求有相当的差距，这也大大阻碍了量子点电致发光显示技术的发展和应用。另外，不仅限于QLED器件，在其他领域中，量子点材料相对于传统材料的特性也被逐渐重视，例如光致发光器件、太阳能电池、显示器件、光电探测器、生物探针以及非线性光学器件等等，以下仅以QLED器件为例进行说明。虽然量子点作为一种经典的纳米材料已经被研究和开发超过30年，但是利用量子点的优良发光特性并将其作为发光材料应用在QLED器件及相应的显示技术中的研究时间还很短；因此目前绝大部分的QLED器件的开发和研究均是基于已有经典结构体系的量子点材料，相应的量子点材料的筛选和优化的标准还基本是从量子点自身的发光性能例如量子点的发光峰宽、溶液量子产率等出发。将以上量子点直接应用于QLED器件结构中从而获得相应的器件性能结果。但QLED器件及相应的显示技术作为一套复杂的光电器件体系，会有诸多方面的因素会影响器件的性能。单从作为核心发光层材料的量子点材料出发，所需权衡的量子点性能指标就会复杂得多。首先，量子点在QLED器件中是以量子点发光层固态薄膜的形式存在的，因此量子点材料原本在溶液中所得到的各项发光性能参数在形成固态薄膜后会表现出明显的差异：例如在固态薄膜中发光峰波长会有不同程度的红移（向长波长移动）、发光峰宽度会变大、量子产率会有不同程度的降低，也就是说量子点材料在溶液中的优良发光性能并不能完全被继承至QLED器件的量子点固态薄膜中。因此在设计和优化量子点材料的结构和合成配方时，需同时考虑量子点材料自身的发光性能最优化以及量子点材料在固态薄膜状态下的发光性能继承最大化。其次，在QLED器件中量子点材料的发光是通过电致激发来实现的，即分别从QLED器件的阳极和阴极通电注入空穴和电子，空穴和电子通过QLED器件中相应功能层的传输在量子点发光层复合后，通过辐射跃迁的方式发射光子即实现发光。从以上过程可以看出，量子点自身的发光性能例如发光效率只是影响上述过程中辐射跃迁的效率，而QLED器件的整体发光效率还会同时受到上述过程中空穴和电子在量子点材料中的电荷注入和传输效率、空穴和电子在量子点材料中的相对电荷平衡、空穴和电子在量子点材料中的复合区域等的影响。因此在设计和优化量子点材料的结构尤其是量子点的精细核壳纳米结构时，还需重点考虑量子点形成固态薄膜以后的电学性能：例如量子点的电荷注入和传导性能、量子点的精细能带结构、量子点的激子寿命等。最后，考虑到QLED器件及相应显示技术未来将通过极具生产成本优势的溶液法例如喷墨打印法进行制备，因此量子点的材料设计和开发需要考虑量子点溶液的加工性能，例如量子点溶液或打印墨水的可分散溶解性、胶体稳定性、打印成膜性等。同时，量子点材料的开发还要与QLED器件其他功能层材料以及器件的整体制备工艺流程和要求作协同。总之，传统的仅从提升量子点自身发光性能考虑出发的量子点结构设计是无法满足QLED器件及相应显示技术对于量子点材料在光学性能、电学性能、加工性能等多方面的综合要求的。需要针对QLED器件及相应显示技术的要求，对量子点发光材料的精细核壳结构、组分、能级等进行量身定制。由于量子点的高表面原子比率，未与表面配体（Ligand）形成非共价键（Danglingbond）的原子将以表面缺陷态存在，这种表面缺陷态将会引起非辐射途径的跃迁从而使得量子点的发光量子产率大幅被降低。为解决这一问题，可以在原量子点外层表面生长包含另一种半导体材料的半导体壳层，形成量子点的核壳（core-shell）结构，可以显著改善量子点的发光性能，同时增加量子点的稳定性。可应用于高性能QLED器件开发的量子点材料主要为具有核壳结构的量子点，其核和壳成分分别固定且核壳具有明确边界，例如具有CdSe/ZnS核壳结构的量子点(J.Phys.Chem.,1996,100(2),468–471)、具有CdSe/CdS核壳结构的量子点(J.Am.Chem.Soc.1997,119,(30),7019-7029)、具有CdS/ZnS核壳结构的量子点、具有CdS/CdSe/CdS核+多层壳层结构的量子点(PatentUS7,919,012B2)、具有CdSe/CdS/ZnS核+多层壳层结构的量子点(J.Phys.Chem.B,2004,108(49),18826–18831)等。在这些核壳结构的量子点中，通常来说核和壳的组成成分是固定并且不同的，且一般是由一种阳离子和一种阴离子组成的二元化合物体系。在这种结构中，由于核和壳的生长是独立分别进行的，因此核和壳之间的边界是明确，即核和壳可以区分的。这种核壳结构量子点的开发提升了原先单一成分量子点的发光量子效率、单分散性以及量子点稳定性。以上所述核壳结构的量子点虽然部分提高了量子点性能，但无论从设计思路还是从优化方案上均还是基于提升量子点自身的发光效率方面考虑，且发光性能还有待提高，另外也未综合考虑半导体器件对于量子点材料的其他方面特殊要求。因此，上述技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供具有量子阱能级结构的合金材料、制备方法及半导体器件，旨在解决现有的量子点材料其发光性能有待提高、无法满足半导体器件对于量子点材料的要求的问题。本专利技术的技术方案如下：一种具有量子阱能级结构的合金材料，其中，所述合金材料包含N个在径向方向上依次排布的结构单元，其中N≥1；所述结构单元为径向方向上越向外能级宽度越宽的渐变合金组分结构；相邻的结构单元的能级是不连续的。所述的合金材料，其中，所述合金材料中，靠近合金材料中心的结构单元的能级宽度小于远离合金材料中心的结构单元的能级宽度。所述的合金材料，其中，所述结构单元为包含II族和VI族元素的渐变合金组分结构。所述的合金材料，其中，所述结构单元的合金组分为CdxZn1-xSeyS1-y，其中0≤x≤1，0≤y≤1，并且x和y不同时为0和不同时为1。所述的合金材料，其中，所述结构单元中，A点的合金组分为CdxAZn1-xASeyAS1-yA，B点的合金组分为CdxBZn1-xBSeyBS1-yB，其中A点相对于B点更靠近合金材料中心，且A点和B点的组成满足：xA＞xB，yA＞yB。所述的合金材料，其中，所述结构单元包含2-20层的单原子层，或者所述结构单元包含1-10层的晶胞本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有量子阱能级结构的合金材料，其特征在于，所述合金材料包含N个在径向方向上依次排布的结构单元，其中N≥1；所述结构单元为径向方向上越向外能级宽度越宽的渐变合金组分结构；相邻的结构单元的能级是不连续的。

【技术特征摘要】
1.一种具有量子阱能级结构的合金材料，其特征在于，所述合金材料包含N个在径向方向上依次排布的结构单元，其中N≥1；所述结构单元为径向方向上越向外能级宽度越宽的渐变合金组分结构；相邻的结构单元的能级是不连续的。2.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述合金材料中，靠近合金材料中心的结构单元的能级宽度小于远离合金材料中心的结构单元的能级宽度。3.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述结构单元为包含II族和VI族元素的渐变合金组分结构。4.根据权利要求3所述的合金材料，其特征在于，所述结构单元的合金组分为CdxZn1-xSeyS1-y，其中0≤x≤1，0≤y≤1，并且x和y不同时为0和不同时为1。5.根据权利要求4所述的合金材料，其特征在于，所述结构单元中，A点的合金组分为CdxAZn1-xASeyAS1-yA，B点的合金组分为CdxBZn1-xBSeyBS1-yB，其中A点相对于B点更靠近合金材料中心，且A点和B点的组成满足：xA＞xB，yA＞yB。6.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述结构单元包含2-20层的单原子层，或者所述结构单元包含1-10层的晶胞层。7.根据权利要求6所述的合金材料，其特征在于，在径向方向上相邻的结构单元交界处的两个单原子层之间形成突变结构，或者在径向方向上相邻的结构单元交界处的两个晶胞层之间形成突变结构。8.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述合金材料的发光峰波长范围为400纳米至700纳米。9.根据权利要求1所述的合金材料，其特征在于，所述合金材料的发光峰的半高峰宽为12纳米至80纳米。10.一种如权利要求1所述的合金材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：在预定位置处合成第一种化合物；在第一种化合物的表面合成第二种化合物，所述第一种化合物与所述第二种化合物的合金组分相同或不同；使第一种化合物和第二种化合物体之间发生阳离子交换反应形成合金材料，所述合金材料的发光峰波长出现间断的蓝移。11.根据权利要求10所述的合金材料的制备方法，其特征在于，所述第一种化合物和/或所述第二种化合物的阳离子前驱体包括Zn的前驱体，所述Zn的前驱体为二甲基锌、二乙基锌、醋酸锌、乙酰丙酮锌、碘化锌、溴化锌、氯化锌、氟化锌、碳酸锌、氰化锌、硝酸锌、氧化锌、过氧化锌、高氯酸锌、硫酸锌、油酸锌或硬脂酸锌中的至少一种。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨一行，刘政，钱磊，程陆玲，
申请(专利权)人：TCL集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44