ZnO量子点的制备及其在白光LED中的应用

朱菲菲， 杨 柳， 刘 凯， 刘为振， 张 涔， 徐海阳， 马剑钢(东北师范大学 紫外光发射材料与技术教育部重点实验室， 吉林 长春 130024)

ZnO量子点的制备及其在白光LED中的应用

朱菲菲， 杨 柳， 刘 凯， 刘为振*， 张 涔*， 徐海阳， 马剑钢
(东北师范大学 紫外光发射材料与技术教育部重点实验室， 吉林 长春 130024)

利用湿化学方法制备合成ZnO量子点，通过改变合成条件(反应时间、反应物浓度、反应温度)对量子点的尺寸及发光性能进行调控。利用透射电子显微镜、吸收光谱、荧光光谱等表征手段，探讨了合成条件对ZnO量子点光学性质的影响，并优化出适用于构建白光LED器件的最佳合成条件。研究结果表明，在反应温度为20 ℃、反应时间为3 h、前驱体Zn(OAc)2和LiOH反应浓度比为2∶1时获得的ZnO量子点较为稳定，并在紫外光激发下发出明亮的黄绿色光。在此基础上，以该ZnO量子点为有源层、p-GaN∶Mg基片为空穴注入层、非晶Al2O3薄膜为电子阻挡层构造了p-i-n型异质结LED，在正向注入电流为5 mA时，获得了来自于器件的白光发射，其色坐标为(0.28,0.30)，色温为9 424 K。

ZnO量子点； 黄绿光发射； 湿化学法； ZnO量子点/Al2O3/p-GaN异质结构； 白光LED

1 引 言

近年来，由于量子点具有尺寸可控、发光波长可调以及低成本的溶液合成方法等优势使其在发光二极管(LED)领域的应用备受瞩目。目前，人们通过控制尺寸和包覆层的厚度，已获得了Cd系量子点(如CdSe)红光、绿光及蓝光(RGB)发射，并将其应用在量子点LED中，成功地制备了高性能的白光LED[1-2]。然而，由于Cd的毒性较大，对环境和人体有一定的危害，阻碍了Cd基LED的进一步发展。于是，研究者迫切地希望找到一种环境友好型材料替代Cd系量子点去构建白光LED。

ZnO作为一种宽禁带直接带隙半导体材料，其具有无毒性、生物相容性、室温下3.37eV的禁带宽度和高达60meV的激子束缚能[3-4]等优势，使其在光电器件研究领域具有极大的潜在应用价值。同时，相比于薄膜和纳米线等结构，由于ZnO量子点材料体系尺寸小，比表面积大，导致深能级缺陷的数量和种类增多，容易获得以可见区缺陷为复合中心的自发辐射[5-6]，这有利于将其应用于白光LED中。Son等[7]将ZnO量子点与石墨烯结合，以PEDOT∶PSS和poly-TPD作为空穴传输层，成功地制备了ZnO量子点基白光LED。Chen等[8]则将ZnO量子点与有机聚合物TFB结合形成PN结，同时以PEDOT∶PSS作为空穴注入层，获得了色坐标为(0.33,0.33)的白光。Huang等[9]除了将PEDOT∶PSS和poly-TPD作为空穴传输层，同时以TPBi作为电子传输层，获得了以ZnO量子点为有源层的黄白光LED。然而，他们都采用有机聚合物作为空穴传输层，存在与ZnO能带失配较大且器件结构复杂等不利因素。

本文采用湿化学方法制备了ZnO量子点，并对其光学性质进行了研究。在优化合成条件后，利用无机材料p-GaN作为空穴注入层，通过引入非晶Al2O3薄膜作为电子阻挡层，成功制备了全无机体系的白光LED。

2 实 验

2.1ZnO量子点的制备

所用试剂为Zn(OAc)2(分析纯)、LiOH(分析纯)和无水乙醇(分析纯)。所有药品均没有经过后期处理。

取一定量的Zn(OAc)2和LiOH分别溶于40mL无水乙醇中，超声30min。利用冷凝回流装置将Zn(OAc)2溶液在70℃下搅拌1.5h，同时将LiOH溶液在室温下也搅拌1.5h。随后，将搅拌好的LiOH溶液逐滴滴加到冷却后剧烈搅拌的Zn(OAc)2溶液中，反应后制备得到ZnO量子点溶液。为了探究实验条件对ZnO量子点的尺寸及光学性质的影响，本文设计了3组对比实验：第一组(S1)固定Zn(OAc)2和LiOH的浓度比和反应温度(1∶1,20℃)，改变反应时间分别为3，7，13，22h；第二组(S2)固定Zn(OAc)2和LiOH的浓度比和反应时间(1∶1,3h)，改变反应温度分别为20，35，50，65℃；第三组(S3)固定反应时间和温度(3h,20℃)，改变Zn(OAc)2和LiOH的浓度比。为了便于研究，这里Zn(OAc)2溶液的浓度固定为0.05mol/L，通过改变LiOH溶液的浓度(0.025，0.05，0.10，0.20mol/L)来实现前驱体反应物浓度比的改变。

表1 实验条件数据表

2.2 ZnO量子点/Al2O3/p-GaN异质结LED的制备

如上所述，利用湿化学法合成的ZnO量子点作为材料体系。选择商用p-GaN∶Mg为衬底，利用热蒸发技术，分别将Ni、Au蒸镀到p-GaN∶Mg上，在空气气氛下500 ℃热处理5 min，形成良好的欧姆接触，作为p型接触电极；利用原子层沉积技术在p-GaN∶Mg衬底上生长非晶Al2O3层作为电子阻挡层，生长温度为150 ℃，厚度约为6 nm；利用匀胶机将ZnO量子点溶液旋涂到Al2O3上；最后选择ITO作为ZnO量子点层的顶接触电极。为了进行对比研究，在相同实验条件下，还制备了ZnO量子点/p-GaN异质结LED。

2.3 表征方法

采用透射电子显微镜(TEM，JEM-2100F)表征ZnO量子点的微观结构。采用荧光光谱仪(RF-5301PC,SHIMADZU)给出ZnO量子点的荧光光谱。采用紫外-可见吸收光谱仪(LAMBDA 800/900，英国PERKINELMER公司)表征材料的吸收光谱。利用直流数字电流电压源表(2636A,Tektronix)、晶体管特性图示仪(NO.06006232,宁波中策电子有限公司)以及荧光光谱仪(RF-5301PC,SHIMADZU)测试LED器件的电致发光光谱。

3 结果与讨论

3.1 TEM分析

图1(a)～(c)为在不同反应条件下获得的ZnO量子点TEM图像，可以看出制备的量子点具有良好的分散性。其中插图为粒径分布图，平均粒径大小分别为4.2，4.4，5.6 nm，对应的反应条件依次为Zn(OAc)2和LiOH在摩尔浓度比为1∶1时，反应温度为20 ℃，反应时间为3 h(a)；反应温度为20 ℃，反应时间为7 h(b)；反应温度为50 ℃，反应时间为7 h(c)。可以发现，在同一前驱体浓度比下，反应时间延长或者反应温度升高，都会使得量子点的粒径增大。图1(d)则展示了ZnO量子点的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像，由图可知，量子点大多是球状的，其插图清晰地展示了ZnO量子点的晶格条纹。经过测量，其晶面间距约为0.26 nm，对应为六角纤锌矿结构ZnO的(0002)晶面间距[10-11]。

图1 ZnO量子点在不同反应条件下的TEM图像，对应的反应条件依次为Zn(OAc)2和LiOH在反应浓度比为1∶1时：(a) 反应温度为20 ℃，反应时间为3 h；(b) 反应温度为20 ℃，反应时间为7 h；(c) 反应温度为50 ℃，反应时间为7 h。其中插图为粒径分布图，平均粒径大小分别为4.2，4.4，5.6 nm。(d) ZnO量子点的HRTEM图像，插图显示其晶面间距为0.26 nm。

Fig.1 TEM images of ZnO QDs under different reaction conditions, in order: the concentration ratio of Zn(OAc)2and LiOH is 1∶1. (a) Reaction temperature is 20 ℃ and reaction time is 3 h; (b) reaction temperature is 20 ℃ and reaction time is 7 h; (c) reaction temperature is 50 ℃ and reaction time is 7 h. Insets show the distribution of particle size, the average sizes are 4.2, 4.4, 5.6 nm, respectively. (d) HRTEM image of ZnO QDs. Inset displays the interplanar spacing is 0.26 nm.

3.2 反应条件对ZnO量子点尺寸及光学性质的影响

图2(a)为S1的吸收光谱，谱线清晰地展示了ZnO量子点的特征吸收边。相比于ZnO体材料，ZnO量子点的吸收光谱具有显著的蓝移现象。由图可知，随着反应时间的延长，吸收带边发生红移，但在13 h之前，红移现象并不十分显著；而当反应时间延长到22 h后，可以观测到吸收带边有十分明显的红移。相应的荧光光谱(激发波长为325 nm)如图2(b)所示。由图可知，ZnO量子点的荧光光谱由两部分组成：紫外区和可见区。在325 nm氙灯的激发下，获得了中心位于358 nm和502 nm的两个发光峰，其中358 nm处的发光来源于ZnO量子点中近带边激子的辐射复合。相对于薄膜和其他纳米结构(发光峰位于380 nm附近)，量子点体系由于存在量子限域效应，使得材料的光学带隙变宽，进而促使样品的发光波长向短波高能方向移动。而中心位于502 nm的宽谱带发射被认为是与ZnO量子点表面深能级缺陷相关的辐射复合。这是由于制备的ZnO量子点尺寸较小导致比表面积增大，表面不饱和悬挂键较多，使得量子点的表面存在很多表面态和缺陷能级，导致了可见区深能级发光明显强于紫外近带边激子的发射。虽然随着反应时间的延长，样品的发光红移变化缓慢，但是在反应时间延长至22 h后也能明显观察到红移现象。这说明，在22 h之前生成的ZnO量子点比较稳定，而随着反应时间逐步的延长，ZnO量子点的尺寸越来越大。对于量子点的生长机理，研究者认为其生长规律遵循奥斯瓦尔德熟化定律，即随着生长时间的延长，较小的晶粒相互融合进而成长为较大的晶粒。

图2(c)为S2的吸收光谱。可以观察到，随着温度的升高，样品的吸收带边也逐渐由348 nm红移至358 nm，这意味着ZnO量子点的尺寸随着温度的升高而逐渐增大。而图2(d)所展示的荧光光谱与吸收光谱一致，随着温度的升高，发光峰位置产生轻微的红移现象。以上结果表明，升高反应温度会加速ZnO量子点的生长。这是由于随着温度的升高，溶液中参与反应的离子运动速率加快，离子间碰撞反应的几率增大，从而使得ZnO量子点的生长速率加快，获得了粒径较大的量子点。因此，通过改变反应温度也能调节ZnO量子点的尺寸。

图2 反应条件为S1(改变反应时间)获得的ZnO量子点的吸收光谱(a)和荧光光谱(b)，以及反应条件为S2(改变反应温度)获得的ZnO量子点的吸收光谱(c)和荧光光谱(d)。

Fig.2 Absorption spectra(a) and fluorescence spectra(b) of ZnO QDs obtained under S1 condition, and absorption spectra(c) and fluorescence spectra(d) of ZnO QDs obtained under S2 condition, respectively.

S3的吸收光谱如图3(a)所示。当LiOH的浓度由0.025 mol/L增大到0.20 mol/L时，样品的吸收带边产生蓝移，由360 nm移动至334 nm处。这是由于随着LiOH浓度的增大，溶液中过剩的Li+会受到ZnO量子点表面的负电荷吸引，从而吸附在其表面形成包覆层，使得量子点与量子点之间产生静电排斥作用，稳定地分散在乙醇相中；随着Li+浓度的继续增大，量子点之间的静电排斥力也会随之增大，阻止量子点的团聚，从而获得粒径较小的量子点，使得所制备样品的光学带隙增大导致吸收带边蓝移[12]。然而，随着[Zn]/[LiOH]的逐渐增大，由荧光光谱(图3(b))中发现，其发光峰位置由470 nm红移到了540 nm，与图2(b)和2(d)所产生的轻微移动有所不同。图3(c)为不同的ZnO量子点在325 nm的氙灯照射下的光学照片，其相应的色坐标位置已在图3(d)中标出。可以看出，通过改变前驱体反应物的浓度比，实现了对ZnO量子点缺陷相关的发光波段从蓝光区到黄绿光区的可控调节。

图3 (a)反应条件为S3(改变反应物浓度比)获得的ZnO量子点的吸收光谱;(b) 反应条件为S3(改变反应物浓度比)获得的ZnO量子点的荧光光谱;(c) 从左往右依次为Zn(OAc)2和LiOH反应浓度比为1∶4,1∶2,1∶1,2∶1时获得的ZnO量子点在325 nm的氙灯照射下的光学照片;(d)(b)在色坐标上相应的位置。

Fig.3 (a) Absorption spectra of ZnO QDs obtained under S3 condition. (b) Fluorescence spectra of ZnO QDs obtained under S3 condition. (c) Digital photographs under 325 nm UV light irradiation with different reagent concentration ratio of ZnO QDs, from left to right: 1∶4, 1∶2, 1∶1, 2∶1. (d) Corresponding CIE chromaticity diagram of ZnO QDs with different reagent concentration ratio.

为了进一步探究反应条件对ZnO量子点发光波长的影响，本文根据Brus有效质量模型[13-17]：

(1)

以图1中所示的量子点为例，对其尺寸进行估算。对于ZnO材料，其体材料带隙为3.37 eV,me=0.24m0，mh=0.45m0，其中m0为自由电子的质量，me和mh分别为电子和空穴的有效质量，ε=3.7，ε0为真空介电常数，其光学带隙可由吸收带边转换得到。通过计算，相应的ZnO量子点的平均粒径约为4.2，4.4，5.5 nm，与图1中TEM的结果基本吻合。

接下来，本文计算并统计了由S1、S2和S3三组实验获得的ZnO量子点的粒径，随着反应时间延长、反应温度升高或Zn(OAc)2和LiOH浓度比的增大，量子点的尺寸也随之增大，如图4(a)～(c)所示。值得注意的是，在Zn(OAc)2和LiOH浓度比为2∶1、反应温度为20 ℃、反应时间为3 h与Zn(OAc)2和LiOH浓度比为1∶1、反应温度为35 ℃、反应时间为5 h时，获得的ZnO量子点尺寸相近，约为5.0 nm，然而二者在可见区的发光中心却相差较大(545 nm和510 nm，如图4(d)所示)，这说明此时的影响已经不是量子限域效应造成的。我们猜测这很有可能是在不同的反应条件下，形成了不同种类的表面缺陷。这些表面缺陷充当不同的复合中心，进而造成了与之相关的深能级可见区发射的差别。

图4 不同条件下获得的ZnO量子点的粒径统计，可以看出，随着反应时间的延长(a)、反应温度的升高(b)、以及Zn(OAc)2和LiOH浓度比的增大(c)，获得的ZnO量子点的尺寸在逐渐长大；(d) ZnO量子点在Zn(OAc)2和LiOH浓度比为2∶1、反应温度为20 ℃、反应时间为3 h与Zn(OAc)2和LiOH浓度比为1∶1、反应温度为35 ℃、反应时间为5 h时相应的荧光光谱。

Fig.4 Statistics of the particle size of ZnO QDs synthesized under different experimental conditions, changed with the reaction time(a), synthesis temperature(b), and concentration ratio of Zn(OAc)2and LiOH(c), respectively. (d) Corresponding fluorescence spectra: red line represents ZnO QDs with the reagent concentration ratio of 2∶1, reaction temperature of 20 ℃ and reaction time of 3 h; blue line represents ZnO QDs with the reagent concentration ratio of 1∶1, reaction temperature of 35 ℃ and reaction time of 5 h.

当前，对于ZnO量子点在可见光区域的发光机理仍存在着诸多争议。目前被普遍接受的说法是ZnO的可见光发射主要来源于表面缺陷。通常情况下，ZnO存在有以下6种点缺陷类型：锌间隙、锌空位、氧间隙、氧空位、锌替位氧和氧替位锌[18-19]。关于ZnO量子点的黄绿光发射机制，有研究者认为其来源是电子从锌间隙跃迁至氧空位获得的发射[20]。而ZnO量子点的绿光发射有文献称其来源于氧空位及其相关缺陷，认为单个氧空位会捕获光生空穴并在价带附近的位置形成一个复合中心，这个复合中心捕获电子后会进行辐射复合从而发射出绿光[4]。而对于蓝光发射的机理，研究者验证了ZnO的6种点缺陷中只有锌间隙属于浅施主缺陷[18-19]，其对应的能级位置靠近导带边，所以部分研究者认为ZnO量子点的蓝光发射来源于锌间隙及其相关缺陷[21-22]。从上述实验现象中发现，对于同一前驱体浓度比，无论改变反应时间或反应温度，ZnO量子点发光谱的整体移动都相对较小；然而在改变了前驱体的浓度比后，其光谱中发光峰位置移动较为明显。这是因为利用不同的浓度比合成的ZnO量子点中存在不同种类的缺陷，因此更易于调节量子点的发光波长。

综上所述，Zn(OAc)2和LiOH浓度比为2∶1、反应时间为3 h、反应温度为20 ℃的条件下制备的ZnO量子点，其量子产率达到52%，可以发出明亮的黄绿光，适合作为有源层来构建白光LED器件。

3.3 器件的电致发光性质分析

为了对比，我们构建了器件A(Ni/Au/p-GaN/ZnO QDs/ITO)与器件B(Ni/Au/p-GaN/Al2O3/ZnO QDs/ITO)，器件结构如图5(a)和5(b)所示。两个器件除了有无Al2O3间隔层之外，其他部分均在相同条件下制备。用p-GaN作为衬底是由于在众多p型材料中，GaN与ZnO同为六角纤锌矿结构且具有相近的晶格常数，这意味着两者具有较小的晶格失配；并且这两种材料的禁带宽度相近(GaN的带隙为3.39 eV，ZnO的带隙为3.37 eV)，导带和价带的位置也相近[11,23]，较小的能带失配更有利于电子和空穴的注入。但是在没有Al2O3间隔层时，由于电子的迁移率大于空穴的迁移率，从负极注入的电子绝大部分都转移到了p-GaN一侧进行复合发光。因此，纯ZnO量子点/p-GaN异质结器件的电致发光主要来自于p-GaN一侧的辐射复合，如图5(c)所示。为了阻挡电子，使得注入的载流子在ZnO一侧的复合发光几率增大，我们考虑将宽带隙的Al2O3作为电子阻挡层(约为6 nm)嵌入在ZnO量子点和p-GaN之间，将更多的电子限制在ZnO一侧，只有少部分的电子可以通过隧穿到达GaN一侧进行复合发光，以期待获得来自GaN的蓝光发射和ZnO量子点的黄绿光发射，如图5(d)中能带图所示。

图5 器件结构示意图。 (a) 器件A:Ni/Au/p-GaN/ZnO QDs/ITO;(b) 器件B:Ni/Au/p-GaN/Al2O3/ZnO QDs/ITO;(c) 器件A的能带结构示意图；(d) 器件B的能带结构示意图。

Fig.5 Structural schematic diagrams of the heterojunction LEDs. (a) Device A(without Al2O3): Ni/Au/p-GaN/ZnO QDs/ITO. (b) Device B(with Al2O3): Ni/Au/p-GaN/Al2O3/ZnO QDs/ITO. (c) Corresponding energy-band diagram of device A. (d) Corresponding energy-band diagram of device B.

图6(a)为两个器件的电流-电压特性曲线，器件A的开启电压为2 V，器件B的开启电压为4 V。加入Al2O3阻挡层之后的器件开启电压变大，这是由于近似绝缘的Al2O3层导致器件的串联电阻增大。插图为Ni/Au电极与p-GaN接触的电流-电压曲线，电流与电压之间的线性关系表明Ni/Au电极与p-GaN为良好的欧姆接触，排除了器件发光来自于电极与半导体材料接触形成的肖特基结发光的可能。图6(b)为两个器件在注入电流为5 mA下的归一化电致发光光谱。没有Al2O3电子阻挡层时，电致发光光谱主要由中心位于430 nm处来自于p-GaN一侧Mg受主相关的蓝光发射组成；加入Al2O3层之后，在观察到来自p-GaN蓝光发射的同时，获得了中心位于550 nm来自ZnO量子点层与深能级缺陷相关的黄绿光发射。两个器件电致发光的图谱验证了之前的猜想。图6(b)中的插图为两个器件的电致发光照片，很明显，纯ZnO量子点/p-GaN异质结是一个蓝光LED；而在插入了Al2O3层后，ZnO量子点/Al2O3/p-GaN异质结LED显示出白光发射特征。图6(c)为两个器件的电致发光在色坐标上的相应位置，其中插入了Al2O3电子阻挡层的器件，其电致发光谱色坐标为(0.28,0.30)，是一个色温为9 424 K的冷白光。

图6 (a) 器件A和B的电流-电压特性曲线，插图为Ni/Au电极与p-GaN接触的电流-电压曲线;(b) 器件A和B在注入电流为5 mA下的电致发光光谱，插图为两个器件的发光数码照片;(c) 器件A和B的电致发光在色坐标中的位置，分别为(0.22,0.195)和(0.28,0.30)。

Fig.6 (a)I-Vcurves of device A and B. Inset showsI-Vcurves of Ni/Au and p-GaN. (b) EL spectra of device A and B at the injection current of 5 mA. Insets are the digital photographs of the two devices. (c) Corresponding CIE chromaticity diagram of device A and B.

4 结 论

本文利用低成本的湿化学方法制备了ZnO量子点，通过对反应物浓度、反应时间和反应温度进行优化，实现了对合成量子点的尺寸及光学带隙的可控调节。在此基础上，当控制反应前驱体浓度比为2∶1、反应时间为3 h、反应温度为20 ℃时，获得的量子点能产生明亮的黄绿光发射。基于此，本文以该ZnO量子点为有源层，p-GaN基片为空穴注入层，Al2O3薄膜为电子阻挡层，构造了全无机p-i-n型异质结LED，在正向偏压下获得了来自于该器件的白光发射，其色坐标和色温分别为(0.28,0.30)和9 424 K。

[1] BAE W, LIM J, LEE D,etal.. R/G/B/natural white light thin colloidal quantum dot-based light-emitting devices [J].Adv.Mater., 2014, 26(37):6387-6393.

[2] JANG H, YANG H, KIM S,etal.. White light-emitting diodes wuth excellent color rendering based on organically capped CdSe quantum dots and Sr3SiO5∶Ce3+, Li+phosphors [J].Adv.Mater., 2008, 20(14):2696-2702.

[3] ALEKSANDRA B, DJURISIC O, YU H. Optical properties of ZnO nanostructures [J].Small, 2006, 2(8):944-961.

[4] PATRICK F, YANG J, JENS T,etal.. Highly luminescent ZnO quantum dots made in a nonthermal plasma [J].Adv.Funct.Mater., 2014, 24(14):1988-1993.

[5] ZHANG L, YIN F, LONG W,etal.. Origin of visible photoluminescence of ZnO quantum dots [J].J.Phys.Chem. C, 2010, 114(21):9651-9658.

[6] KHAN Q, WEI L, LI Q. Quantum dots for light emitting diodes [J].J.Nanosci.Nanotechnol., 2013, 13(5):3173-3185.

[7] SON D, KWON B, PARK D,etal.. Emissive ZnO-graphene quantum dots for white-light-emitting diodes [J].Nat.Nanotechnol., 2012, 7(7):465-471.

[8] CHEN J, PAN J, DU Q,etal.. Highly efficient white quantum dot light-emitting diode based on ZnO quantum dot [J].Appl.Phys. A, 2014, 117(2):589-591.

[9] HUANG H, DUN C, HUANG W,etal.. Solution-processed yellow-while light-emitting diode based on mixed-solvent dispered luminescent ZnO nanocrystals [J].Appl.Phys.Lett., 2015, 106(26):263506.

[10] XUN Y, SHAN C, JIANG M,etal.. Intense electroluminescence from ZnO nanowires [J].J.Mater.Chem. C, 2015, 3(20):5292-5296.

[11] WANG D, WANG F, WANG Y. Interfacial emission adjustment in ZnO quantum dots/p-GaN heterojunction light-emitting diodes [J].J.Phys.Chem. C, 2015, 119(5):2798-2803.

[12] ASOK A, GANDHI M, KULKARNI A. Enhanced visible photoluminescence in ZnO quantum dots by promotion of oxygen vacancy formation [J].Nanoscale, 2012, 4(16):4943-4946.

[13] QIAO Q, LI B, SHAN C,etal.. Light-emitting diodes fabricated from small-size ZnO quantum dots [J].Mater.Lett., 2012, 74(5):104-106.

[14] LIN K, CHENG H, HSU H,etal.. Band gap variation of size-controlled ZnO quantum dots synthesized by sol-gel method [J].Chem.Phys.Lett., 2005, 409:208-211.

[15] WONG E, SEARSON P. ZnO quantum particle thin films fabricated by electrophoretic deposition [J].Appl.Phys.Lett., 1999, 74(20):2939-2941.

[16] BRUS L. Electron-elecron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: the size dependence of the lowest excited electronic state [J].J.Chem.Phys., 1984, 80:4403-4409.

[17] BRUS L. Electronic wave functions in semiconductor clusters: experiment and theory [J].J.Phys.Chem., 1986, 90(12):2555-2560.

[18] LOOK D, FARLOW G, REUNCHAN P,etal.. Evidence for native-defect donors in n-type ZnO [J].PRL, 2005, 99(22):225502-1-4.

[19] LOOK D, HEMSKY J. Residual native shallow donor in ZnO [J].PRL, 1999, 82(12):2552-2555.

[20] ZENG H, DUAN G, LI Y,etal.. Blue luminescence of ZnO nanoparticles based on non-equilibrium processes: defect origins and emission controls [J].Adv.Funct.Mater., 2010, 20(4):561-572.

[21] ZENG H, YANG S, XU X,etal.. Dramatic excitation dependence of strong and stable blue luminescence of ZnO hollow nanoparticles [J].Appl.Phys.Lett., 2009, 95(19):191904-1-3.

[22] XU X, XU C, DAI J,etal.. Evolutions of defects and blue-green emissions in ZnO microwhiskers fabricated by vapor-phase transport [J].J.Phys.Chem.Solids, 2012, 73(3):858-862.

[23] XU S, XU C, LIU Y,etal.. Ordered nanowire array blue/near-UV light emitting diodes [J].Adv.Mater., 2010, 22(22):4749-4753.

朱菲菲(1991-)，女，广西玉林人，硕士研究生，2014年于陕西师范大学获得学士学位，主要从事氧化锌量子点制备及其光电器件的研究。

E-mail: 536810530@qq.com张涔(1985-)，男，吉林长春人，博士，工程师，2014年于东北师范大学获得博士学位，主要从事宽禁带半导体发光器件、半导体纳米器件的研究。

E-mail: zhangc601@nenu.edu.cn刘为振(1986-)，男，吉林长春人，博士，讲师，2014年于东北师范大学获得博士学位，主要从事宽禁带半导体材料及其光电子器件的研究。

E-mail: wzliu@nenu.edu.cn

PreparationofZnOQuantumDotsandTheirApplicationsinWhite

LEDZHUFei-fei,YANGLiu,LIUKai,LIUWei-zhen*,ZHANGCen*,XUHai-yang,MAJian-gang

(KeyLaboratoryofUVlightemittingmaterialsandDevicesofMinistryofEducation,NortheastNormalUniversity,Changchun130024，China)
*CorrespondingAuthors,E-mail:wzliu@nenu.edu.cn;zhangc601@nenu.edu.cn

ZnO quantum dots (ZnO QDs) were fabricated by wet chemistry method. By varying the synthesis conditions (reaction time, reagent concentration ratio and reaction temperature), the size and luminescence properties of ZnO QDs can be effectively controlled. Transmission electron microscopy, UV-Vis absorption spectra and fluorescence spectra were employed to analyze the influence of preparation conditions on optical properties of the synthesized ZnO QDs, and a set of optimized synthesis condition was obtained for the following fabrication of white-LED device. The physical mechanism of the device electroluminescence (EL) was investigatedviathe measurements of current-voltage curves and EL spectra. The results show that stable ZnO QDs can be obtained at room temperature when the synthesis condition is set as: concentration ratio of Zn(OAc)2to LiOH is2∶1and reaction time is3h. Finally, a p-i-n type LED was constructed by employing p-GaN∶Mg wafer and Al2O3thin film respectively as hole injection layer and electron blocking layer, and a white EL emission under forward injection current of5mA was achieved, where the CIE is located at (0.28,0.30) and the color temperature is calculated to be9424K.

ZnO QDs; yellow-green emission; wet chemistry method; ZnO QDs/Al2O3/p-GaN heterostructure; white-LED

1000-7032(2017)11-1420-09

O482.31; TN383+.1

A

10.3788/fgxb20173811.1420

2017-03-20；

2017-04-18

国家自然科学基金优秀青年基金(51422201); 国家自然科学基金(61505026,61604037,61574031,51602028); 教育部博士点基金(20130043110004); 吉林省科技发展计划(20160520009JH,20160520115JH,20160520114JH); 发光学及应用国家重点实验室项目(SKLA-2015-03)资助

Supported by National Natural Science Foundation of China for Excellent Young Scholars (51422201); National Natural Science Foundation of China (61505026,61604037,61574031,51602028); Science and Technology Development Plan of Jilin Province (20160520009JH,20160520115JH,20160520114JH); Project of State Key Laboratory of Luminescence and Applications(SKLA-2015-03)