Adv.Sci. :碳点电致发光二极管的研究进展

2021-02-24

原标题：Adv.Sci.:碳点电致发光二极管的研究进展

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背景介绍
发光材料是照明/显示、荧光成像、激光等技术发展的基础，具有巨大的市场需求。随着人类对环境和健康安全的不断重视，开发环保、无毒、低能耗、可持续生产、稳定、高效的新型发光材料变得尤为重要。荧光碳点(CDs)是一种新型的准零维碳纳米材料。与现有的荧光材料（有机、稀土、钙钛矿、胶体量子点）相比， CDs具有成本低、环境友好、颜色可调、荧光稳定等优点，同时适合大面积溶液加工。 CDs已成功作为发光活性层应用于电致发光二极管（LEDs）中，是应用于新一代的平板显示和固态照明技术的潜在材料。
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近日，北京化工大学谭占鳌教授课题组在前期研究工作的基础上，系统总结、讨论了CDs在电致发光二极管领域的研究进展。该综述介绍了CDs电致发光二极管的器件结构和工作原理，总结了目前应用于电致LEDs中碳点的制备方法，详细讨论了碳点作为发光层（包括掺杂和非掺杂体系）以及界面传输层在电致LEDs中的研究近况。此外，针对目前CDs电致LEDs整体器件性能较差的问题，作者从高效碳点的设计合成（包括固态发光碳点、磷光碳点、热激活延迟荧光碳点）和器件结构工程的角度出发，提出了构筑高性能碳点电致器件的可行性策略。最后，作者分析并展望了CDs电致发光器件未来的发展前景以及可能面临的挑战。该论文旨在为构筑新一代高性能电致发光器件提供一定的指导与参考。相关论文以“FluorescentCarbonDots:FantasticElectroluminescentMaterialsforLight-EmittingDiodes”为题,在线发表在AdvancedScience上。论文第一作者为北京化工大学赵彪博士，通讯作者为谭占鳌教授。

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图文解析
基于CDs的电致发光LEDs的基本概念
基于CDs的电致发光LEDs具有与基于量子点的LEDs（QLEDs），基于钙钛矿的LEDs（PeLEDs）和有机LEDs（OLEDs）相似的三明治设备结构，其中CDs充当中间发光层，被界面传输层和电极。在基于CDs的电致发光LEDs的典型器件结构中，可以将其分为五个部分：阳极，空穴传输层（HTL），有源发射层，电子传输层（ETL）和阴极，如图所示在图1中。通常，活性发射层可以由纯CDs或CDs/聚合物主体-客体复合物构成。电极和部分传输层材料通过热蒸发进行处理，而CDs基有源发射层和某些有机共轭缓冲层材料则通过溶液处理进行处理。因此， CDs在溶剂中的溶解度在构建LEDs器件中非常重要。在LEDs工作期间，首先将空穴和电子分别注入ETL和HTL ，然后在有源发射层重新结合以触发光发射。通过改变CDs的发射波长，可以方便地实现多色LEDs器件。

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【Adv.Sci. :碳点电致发光二极管的研究进展】图1.基于CDs的电致发光LEDs的典型器件结构图
用于电致发光LEDs的CDs的制备方法
目前，有两种制备CDs的方法：即自上而下和自下而上的方法。通常，自上而下的方法是通过物理或电化学方式将大碳物种分为细碳物种。碳源可以是碳纳米管，石墨，碳烟灰，活性炭，氧化石墨等。但是，这些方法总是乏味，不可控且昂贵。同时，所得的CDs通常具有较低的量子产率（QYs）。如今，自下而上的路线是准备CDs的最流行策略。可以通过对有机小分子进行碳化处理来进行。通过选择廉价且结构良好的前体，例如柠檬酸，尿素和苯二胺，已经连续实现了具有多色发射和高QYs的各种高质量CDs 。而且，所获得的CDs由无定形到结晶的核组成，在其表面上具有许多官能团，例如羟基，氨基，羧基，羰基和环氧。
基于CDs的电致发光LEDs的最新进展
在过去的十年中，已经广泛研究了CDs在电致发光LEDs中的应用。当前，在电致发光LEDs中采用CDs的主要途径有三种，包括用作发射层的纯CDs ，用作发射层的掺杂CDs和用作界面传输层的CDs 。
基于CDs的高性能电致发光LED的研究
与OLEDs ， QLEDs和PeLEDs相比，已报道的基于CDs的LEDs的器件性能远远不能令人满意，其最大亮度低于6000cdm-2 ，并且外部量子效率很低。考虑到实际应用中的需求，迫切需要开发基于CDs的高性能LEDs 。鉴于以上内容以及我们先前有关基于CDs的电致发光LEDs的系列研究，作者从高质量CDs的制备和器件结构优化的角度出发，提出了构建高性能基于CDs的电致发光LEDs的几种可行策略。

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