PTAA/TPBi主客体工程通过电子限制作用实现了高亮度黄色碳点基发光二极管的制备

《Advanced Materials Interfaces》：PTAA/TPBi Host–Guest Engineering Enables High-Brightness Yellow Carbon Dot Based Light-Emitting Diodes through Electron Confinement

碳点LED通过主客体掺杂优化器件结构，采用PTAA作为空穴传输层和TPBi掺杂碳点形成发光层，有效抑制聚集诱导淬灭并平衡电荷传输，实现峰值亮度9754 cd/m2和效率8.53 cd/A，揭示了能级匹配与电荷复合区域调控机制。

　　碳点（Carbon Dots, CDs）作为一种新型的准零维碳纳米材料，因其独特的光学特性、低毒性、高稳定性和环境友好性，在光电器件领域引起了广泛关注。近年来，碳点被广泛研究用于发光二极管（Light Emitting Diodes, LEDs）中，尤其是在开发绿色、高效且节能的发光材料方面。然而，尽管碳点的性能可以通过多种方式优化，例如调整其合成方法以控制粒径、形状和表面化学特性，但其在实际器件中的表现仍不理想。特别是，在固态下，碳点容易发生聚集诱导荧光淬灭（Aggregation-Induced Fluorescence Quenching, AIQ）现象，这主要归因于Forster能量转移、π-π堆积效应以及表面电荷转移等机制，严重限制了其在固态照明和显示领域的应用。因此，如何有效解决这些问题，提高碳点发光二极管（CD-LEDs）的整体性能，成为当前研究的重点。

为了解决碳点在固态下的性能瓶颈，研究者提出了一种“主客体”结构设计策略，即将碳点作为发光客体分子，嵌入到具有合适电荷传输特性的主材料中，形成发光层（Emissive Layer, EML）。这种方法不仅能够改善发光层的形貌，还能够平衡电荷的传输与分布，从而提升电荷复合效率，进而提高器件性能。在本研究中，采用了聚[bis(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）作为空穴传输层（Hole Transport Layer, HTL），并以1,3,5-三(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯（TPBi）作为主材料，与碳点进行掺杂，形成发光层。这种主客体结构的CD-LEDs在365 nm紫外光激发下，实现了高达9754 cd/m2的亮度和8.53 cd/A的电流效率，这些性能指标是目前报道的最优值之一。

研究发现，碳点的发光性能不仅依赖于其自身的合成与修饰，还与器件结构的设计和电荷传输材料的优化密切相关。传统的碳点发光二极管往往采用纯碳点作为发光层，但由于碳点在固态下的聚集效应，导致其发光效率和亮度受限。因此，通过将碳点与主材料结合，可以有效抑制AIQ效应，同时提升电荷传输效率。例如，TPBi作为主材料，具有宽的能带间隙和良好的电子传输性能，能够为碳点提供稳定的发光环境。此外，TPBi的HOMO（最高占据分子轨道）和LUMO（最低未占据分子轨道）能级分别位于2.7 eV和6.2 eV，这使得碳点的HOMO和LUMO能级处于TPBi的禁带范围内，从而限制了反向能量转移，增强了激子在发光层中的限制和复合效率。

为了进一步优化器件性能，研究者还对多种空穴传输材料进行了系统性评估，包括聚-N-苯基-N-4-丁基苯胺（Poly-TPD）、TFB、PVK和PTAA。实验结果显示，PTAA在空穴传输能力、电子阻挡效应以及能级匹配方面表现出显著优势。其HOMO能级较浅，有利于空穴的高效注入；同时，其电子阻挡特性能够有效抑制电子的不必要注入，避免了电子与空穴在空穴传输层中的非辐射复合，从而提高了发光效率和亮度。此外，PTAA还具备良好的溶液加工性，使其能够与TPBi主材料结合，形成稳定的发光层结构。

在实际的器件结构中，研究团队设计了一种多层结构，包括阳极（ITO）、空穴传输层（PTAA）、发光层（TPBi掺杂碳点）、电子传输层（TPBi）、电子注入层（LiF）和阴极（Al）。这种结构能够有效调控电荷注入和传输路径，确保空穴和电子在发光层中形成高效的复合区域。通过调节碳点与TPBi的掺杂比例（如1:10、1:8、1:4、1:2和1:1），研究团队进一步优化了器件的发光性能。实验数据显示，当碳点与TPBi的比值为1:2时，器件的亮度达到峰值9754 cd/m2，电流效率达到8.53 cd/A，且未观察到主材料或空穴传输层的寄生发光，这表明碳点的发光区域被完全限制在发光层内，从而提高了器件的光谱纯度。

此外，研究团队还通过紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和光致发光光谱（PL）对不同掺杂比例的碳点与TPBi混合薄膜进行了表征。结果显示，随着碳点浓度的增加，其PL光谱中出现了新的发光峰，这表明碳点与TPBi之间发生了有效的电荷转移过程。同时，通过原子力显微镜（AFM）对碳点薄膜的表面形貌进行了分析，发现当碳点与TPBi的比值为1:2时，薄膜的表面粗糙度显著降低，达到了0.5 nm，这有助于提高发光层的均匀性和稳定性，从而提升器件的整体性能。

为了进一步验证主客体结构对电荷传输的影响，研究团队还制备了单电荷器件，包括空穴仅器件和电子仅器件。实验结果显示，当碳点被掺入TPBi中时，电子的注入和迁移路径被有效调控，使其主要集中在发光层中，从而减少了电子在空穴传输层中的迁移，提高了空穴的注入效率。同时，碳点的浅HOMO能级降低了空穴注入的势垒，促进了空穴在发光层中的传输，进一步提升了电荷复合效率。这些实验结果表明，通过合理设计主客体结构和优化电荷传输材料，可以显著改善碳点发光二极管的性能。

综上所述，本研究通过结合主客体结构设计和优化空穴传输材料，成功实现了高性能的黄色碳点发光二极管。该研究不仅为碳点在固态发光器件中的应用提供了新的思路，也为未来开发更高效的发光材料和器件结构奠定了理论基础。此外，研究还强调了在碳点发光二极管的设计过程中，除了提高碳点本身的发光效率外，还需要关注器件结构的优化和电荷传输材料的改进，这些因素共同决定了CD-LEDs的最终性能。因此，未来的研究方向应进一步探索碳点与不同主材料之间的相互作用，以及如何通过结构设计和材料工程实现更广泛的光谱调控和更高的发光效率。