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荧光碳点（CDs）具有原料广泛、无毒无污染、发光颜色可调、低成本和生物相容性等优异特点，在发光领域具有广阔的应用前景。近年来，基于CDs的电致发光器件已经取得了一定的发展，尤其是优化CDs性能、器件结构等对器件性能的提升方面做了大量的工作，但是，目前基于CDs的电致发光器件的性能与传统量子点LED性能还有一定差距。因此深入探究CDs的设计和合成以及CDs性能、器件结构与器件光、色、电性能之间的关系对于该器件的发展和广泛应用具有重要的意义。近日，河北大学李旭研究员课题组在《发光学报》发表了题为“碳点基电致发光器件的研究进展”的综述文章，第一作者是硕士研究生禹珍珍。
本文综述了近年来碳点基电致发光器件的进展，从CDs的种类以及器件的结构两个方面介绍了CDs基电致发光器件的设计与制备。选择磷光CDs、固态荧光CDs、油溶性CDs以及热延迟荧光CDs都可以实现较好性能的电致发光。选择合适的发光层、空穴传输层以及全溶液方法均有助于提高器件的电致发光性能以及简化合成过程。
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图1：合成高性能CDs以及调控CDs基电致LED器件结构
基于传统Cd基量子点(QDs)的电致发光二极管(QLED)，因为其高效率、单色性好、高亮度等优点，在显示领域已经取得了卓越的成就，并且发展得越来越成熟。然而，由于存在重金属污染等问题，限制了其在照明和显示市场上的应用。因此我们亟需开发一种低毒性、高稳定性的新型发光材料提升电致发光器件的性能并推动其在QLED等领域的应用。自从2004年发现CDs以来，众多科学家们开始研究CDs的性能并开发其用途。经过探索发现CDs具有绿色环保、高稳定性、高荧光量子产率、成本低廉等优异特性，研究者们开始将其应用在光电器件、生物医学、传感器、探测器等多个领域。尤其在应用于电致发光器件方面引起了研究者们广泛的关注，在较短的时间内涌现了大量关于CDs基电致发光器件的报道，但是在基于CDs的电致发光器件应用方面，还处于刚起步阶段，在这条道路上有很多需要解决的问题，主要原因是固态CDs存在比较严重的荧光聚集猝灭效应。迄今为止，所报道的关于CDs的电致发光器件的性能与无机QDs电致发光器件的性能还有较大差距。（1）磷光CDs。有机磷光与从最低三重态到基态的自旋禁阻辐射跃迁有关，为了赋予CDs磷光，从最低单线态到三线态的有效系间窜越（ISC）非常重要，这对三线态激子的产生至关重要。人们为实现固态磷光CDs做了很多努力，通过使用聚合物、无机盐、乙二胺、硼酸、柠檬酸、尿素等作为开发CDs的前驱体，以提高CDs的发光性能。另外，链状的CDOF是降低三重态能级和增强自旋轨道耦合的关键，从而获得高QY和良好的溶液加工性。（2）固态荧光CDs。由于荧光聚集猝灭效应（AIQ），纯CDs作为LED中的发射层通常会导致器件性能较差。因此，要想获得高性能固态荧光CDs的关键是克服荧光聚集猝灭效应。研究者们使用聚合物、淀粉、无机盐、二氧化硅等作为基质制备固态荧光CDs；还可以通过抑制芳香骨架的直接 p-p 堆叠以及设计独特的供体-π-受体结构以增强聚集态CDs的荧光性能。（3）油容性荧光CDs。基于CDs的电致发光器件的发展比较缓慢，重要原因之一是由于水热法制备的CDs通常表现出较差的油溶性。常见的反应溶剂（水或乙醇）含有大量亲水基团，这使得CDs难以溶解在低极性溶剂中，这导致CDs难以与主流发光材料混合实现高效电致发光。（4）热延迟荧光CDs。热激活延迟荧光（TADF）材料被众多科学家认为是第三代发光材料，通过从三重态（T1）到单重态（S1）的反向系间窜越（RISC）过程有效地收获三重态，从而具有高辐射衰减和荧光效率。因此，TADF材料是构建高效能LED的理想发射层，目前TADF材料的LED已经取得快速发展和巨大成就，其发射覆盖整个可见光范围。（1）掺杂CDs作为发光层。以纯CDs作为发光层制备的电致LED由于CDs的荧光聚集猝灭效应，存在严重的非辐射跃迁，过度的共振能量转移和内部碳核之间的 p-p 堆积相互作用会引起严重的团聚猝灭。通过将CDs与一种或两种有机小分子复合，可以降低空穴的注入势垒，促使载流子的传输达到平衡，从而提高器件的性能。（2）钙钛矿充当空穴传输层。有机发光层和下面的钙钛矿层结合形成有机-无机钙钛矿平面异质结，结处的充分接触利用钙钛矿的高电荷迁移率，促进空穴传输和注入。钙钛矿和有机发光层之间的相互作用可以通过控制卤素成分、厚度、表面形貌等来设计，有助于器件优化和理解这种独特的有机-无机混合光电器件中的载流子动力学。（3）全溶液法制备器件。基于QDs电致发光器件大多数采用全溶液法的制备工艺，并且已经发展得越来越成熟。然而，CDs基电致发光器件经历了十几年的发展，所报道的文献中，大多数基于CDs的电致发光器件的电子传输层采用蒸镀法完成，其制备工艺复杂，工作效率低。因此，CDs基电致发光器件仍然可以尝试采用全溶液法制备工艺。综上所述，高效CDs是制备高性能CDs基电致LED的必要前提，合成CDs的前驱体、合成方法以及溶剂的选择都是影响CDs性能的直接因素；通过引入具有磷光或热激活延迟荧光属性的CDs、无溶剂油性CDs以及三苯胺结构CDs等作为发光层制备电致发光器件。CDs基电致发光器件的研究比较少。一方面是对于CDs作为发光层的载流子传输机理还不够深入，另一方面影响CDs器件的电荷注入的影响因素尚未明确。将无机量子点与CDs结合或作为传输层材料构筑在CDs基电致发光器件中是值得探索的方向。基于CDs的电致LED同样能采用全溶液的制备工艺，只要构筑适配的传输层能级材料且材料的溶剂不相互侵蚀，另外全溶液法制备器件时薄膜的旋涂工艺要求较高，器件制备工艺应精细。通过研究人员的共同努力，我们相信基于CDs的电致LED必将成为碳量子点材料应用的一个重要发展方向。禹珍珍，任正，李琮，武泽芃，王大伟，关丽，李旭*. 碳点基电致发光器件的研究进展[J]. 发光学报, 2024, 45(08):1247-1265.
DOI: 10. 37188/CJL. 20240102.禹珍珍，博士研究生，2024年于河北大学获得硕士学位，现为重庆大学光电工程学院博士研究生，主要从事基于碳点的电致发光器件方面的研究。 E-mail: 13212329084@163.com李旭，博士生导师，研究员，2016年于北京交通大学获得博士学位，主要从事发光材料及器件相关研究。
监制：赵阳
