(57)【要約】  発光層が、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造の量子ドットを含み、交流電場を印加することにより発光させるＥＬ素子であって、シェル層は、コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料からなり、かつ、シェル層の膜厚が、５ｎｍ〜１００ｎｍである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光層が、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造の量子ドットを含み、交流電場を印加することにより発光させるＥＬ素子であって、
前記シェル層は、前記コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料からなり、かつ、
前記シェル層の膜厚が、５ｎｍ〜１００ｎｍであるＥＬ素子。
【請求項２】
発光層が、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造の量子ドットを含み、交流電場を印加することにより発光させるＥＬ素子であって、
前記シェル層は、前記コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料からなり、かつ、
前記シェル層に存在する固有電荷キャリアが前記コア部分に供給されることにより発光するＥＬ素子。
【請求項３】
前記発光層は、前記コアシェル構造の粒子が、バインダ材料と混合されてなる請求項１又は請求項２に記載のＥＬ素子。
【請求項４】
前記バインダ材料が、誘電体からなる請求項３に記載のＥＬ素子。
【請求項５】
前記量子ドットが、前記シェルの外側に有機側鎖を有している請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＥＬ素子。
【請求項６】
前記コア部分の粒径が１〜１０ｎｍである請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のＥＬ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電場を印加することによりキャリアを発光微粒子に注入して発光させるタイプのＥＬ素子（エレクトロルミネッセンス素子）に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電場を印加して発光微粒子にキャリアを注入して発光させるＥＬ素子は、高い発光輝度を得られる可能性があるため盛んに研究されつつある。このようなＥＬ素子としては、例えば、特許文献１記載のものがある。
【０００３】
特許文献１のＥＬ素子は、二つの電極間に、少なくとも一層の誘電体層と発光層が積層されてなり、この発光層では、第二の半導体微粒子が、第一の半導体からなる連続相中に分散されている。このＥＬ素子に交流電場を印加すると、第一の半導体から発生したキャリアが第二の半導体の微粒子に衝突することにより、第二の半導体の微粒子が励起して、基底状態に戻る時に発光を生じる。
【特許文献１】特開２００３−２４９３７３号公報
【特許文献２】特開２００３−１７３８７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のＥＬ素子では、第二の半導体の微粒子へのキャリア注入効率が低く、期待される発光効率を実現することができない。これは、発光層の成膜時に混入した不純物によるキャリアの散乱や、第一の半導体と第二の半導体の微粒子との界面の連続性が低いことに起因する「量子閉じ込め効果」の低下によるものと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、発光層が、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造の量子ドットを含み、交流電場を印加することにより発光させるＥＬ素子であって、シェル層は、コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料からなり、かつ、シェル層の膜厚が、５ｎｍ〜１００ｎｍであるＥＬ素子である。
【０００６】
本発明の第２の態様は、発光層が、コア部分の表面をシェル層で覆ったコアシェル構造の量子ドットを含み、交流電場を印加することにより発光させるＥＬ素子であって、シェル層は、コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料からなり、かつ、シェル層に存在する固有電荷キャリアがコア部分に供給されることにより発光するＥＬ素子である。
【０００７】
本発明の第３の態様は、発光層は、コアシェル構造の粒子が、バインダ材料と混合されてなる第１又は第２の態様に記載のＥＬ素子である。
【０００８】
本発明の第４の態様は、バインダ材料が、誘電体からなる第３の態様に記載のＥＬ素子である。
【０００９】
本発明の第５の態様は、量子ドットが、シェルの外側に有機側鎖を有している第１から３のいずれかの態様に記載のＥＬ素子である。
【００１０】
本発明の第６の態様は、コア部分の粒径が１〜１０ｎｍである第１から５のいずれかの態様に記載のＥＬ素子である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、分厚いシェル層を含むコアシェル構造の量子ドットを用いることにより、簡単な製造方法で、発光層形成時の不純物の混入の影響をほとんど受けることなく、コア部分とキャリア注入層としてのシェル層の界面の連続性を確保することができ、シェル層に存在するキャリアをコア部分に効率よく注入することができる。これらにより、高い発光効率を実現し、量子ドットを含むコア部分本来の高い発光輝度を利用したＥＬ素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明にかかる実施形態を詳しく説明する。
本実施形態に係るＥＬ素子（エレクトロルミネッセンス素子）は、一対の電極間に第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層が順に積層された構成となっている。
【００１３】
一対の電極としては、例えば、Ａｕ（金）金属電極とＩＴＯ（インジウム錫酸化物）透明電極を用いることができる。Ａｕ電極は通常の抵抗加熱蒸発源を用いた真空蒸着法によって成膜する。ＩＴＯ電極はあらかじめガラス基板上に成膜されたものを用いるがスパッタリング法その他の公知の手段で形成してもよい。
【００１４】
二つの絶縁層は、例えば、シリコン窒化物、タンタル酸化物、シリコン酸化物、イットリウム酸化物、アルミナ、ハフニウム酸化物、バリウムタンタル酸化物をスパッタリング法等で形成することができる。
【００１５】
発光層は、コアシェル構造の量子ドットのみから構成することが好ましい。こうすることにより、バインダ中に粒子を均一に分散させる工程が不要となり、不純物が混入する可能性の低減にもつながる。ただし、コアシェル構造の量子ドットのみでは発光層の層形成が難しい場合には、バインダに混合することにより、絶縁層との密着性を向上させるとよい。
【００１６】
コアシェル構造の量子ドットは、コア部分の表面をシェル層で覆った構造である。
コア部分は、ＣｄＳｅのほか、例えば、ＣｄＳ、ＰｂＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＴｅ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＣｓＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、及びこれらの混晶で構成される材料を用いて形成することができ、ＥＬ素子に求められる発光波長に応じて、材料及び粒径が適宜決定される。コア部分の粒径は１〜１０ｎｍの範囲内から選定することが好ましく、公知の方法（例えば湿式の化学合成手法（液相合成法）、レーザーアブレーション法）で球形に形成する。
【００１７】
シェル層は、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＣａＳ、ＳｒＳ、ＢａＳ、ＣａＧａ２Ｓ４、ＳｒＧａ２Ｓ４、ＺｎＭｇＳ２、ＢａＡｌ２Ｓ４、及びこれらの混晶で構成される材料であって、コア部分の材料よりもバンドギャップが大きい材料を用い、例えば、液相合成法、蒸着法、エアロゾルデポジション法やスプレーコーティング法により形成する。液相合成法で得られる量子ドットは、通常、溶媒分散性が高くなるように、シェル層の周囲に有機側鎖からなる配位子を有している。本実施形態のＥＬ素子では、コア部分への固有電荷キャリアの供給源が、コア部分の周囲に形成されたシェル層であるため、それぞれの量子ドット同士のシェル層の界面連続性は発光効率に殆ど寄与しないことになる。そのため、シェル層の周囲に有機側鎖が存在するまま、量子ドットを発光層に用いることが可能である。なお、コア部分へ供給される固有電荷キャリアは、コア部分の周囲に形成されたシェル層から供給されるのはもちろんであるが、隣接する量子ドット、あるいは遠隔に存在する量子ドットのシェル層から供給されてもよい。
【００１８】
バインダとしては、交流電場の印加のしやすさの点から誘電体が好ましく、例えば、エポキシ樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、シアノエチルセルロース、シアノエチルポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン系樹脂、シリコーン樹脂を使うことができる。バインダは、例えば、スピンコート法、スクリーン印刷法、ディップコート法、スプレー塗布法のような比較的簡便な成膜方法により成膜することができる。
【００１９】
本実施形態のＥＬ素子は、一対の電極間に交流電場を印加してコア部分にキャリアを注入することにより励起、発光させるものであるが、注入されるキャリアをシェル層に存在するものに限定するために、シェル層を所定膜厚とするとともに、交流電場を所定周期で発生させることが可能である。この場合、シェル層の所定膜厚は５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲から選択され、所定周期は所定膜厚との組み合わせでシェルに存在するキャリアのみをコア部分に注入できるように選定することが可能である。このようにしてシェル層に存在するキャリアのみをシェル層で囲んだコア部分に注入する場合には、不純物によってキャリアが散乱することを防止することができ、これにより高い発光効率を実現し、コア部分本来の高い発光輝度を利用したＥＬ素子を提供することができる。また、このようにしてシェル層の膜厚を設計したＥＬ素子においても、交流電場の周期を変化させることにより、隣接または遠隔に存在する量子ドットのシェル層からの固有電荷キャリアをコア部分に供給することも可能である。また、交流電場の周期を変化させることにより、ＥＬ素子の発光輝度を変化させることが可能である。
【実施例１】
【００２０】
上述の実施形態の実施例１について説明する。
ＩＴＯ電極はガラス基板上に成膜されたもの（結晶子サイズ≒膜厚；約１００ｎｍ、表面粗さＲａ；約５０ｎｍ）を用いる。このＩＴＯ付ガラス基板上に、絶縁層としてＴａＯｘ膜を、高周波マグネトロン・スパッタ装置を用いて、基板を常温に保ち成長させた。絶縁層の膜厚は約４００ｎｍとした。その上に、ＴＯＰＯ（トリオクチルホスフィンオキシド）で表面修飾されたＣｏｒｅ／Ｓｈｅｌｌ構造を有するＣｄＳｅ（コア部分）／ＺｎＳ（シェル層）量子ドットをシアノエチルセルロース溶液（バインダ）に分散させた分散液をスピンコートし、乾燥させて成膜した。乾燥時の基板温度は室温〜２００℃程度までの間で選択可能であるが、１００℃以下が好ましい。高過ぎる場合、量子ドットの発光活性が劣化するためである。堆積膜の膜厚は１μｍ程度とした。この上に、絶縁層ＴａＯｘ膜を約４００ｎｍの膜厚に成長させ、さらにシャドウマスクを用い、真空蒸着法で膜厚約５００ｎｍのＡｕ電極を形成した。
【００２１】
このようにして、ＴａＯｘ／（ＣｄＳｅ（コア径約５．２ｎｍ）／ＺｎＳ（シェル厚約１５ｎｍ）量子ドット−シアノエチルセルロースバインダ）／ＴａＯｘ／Ａｕの順で膜を積層してＥＬ素子を作製した。量子ドットのコアの量子化準位を起源とする発光色であるＥＬスペクトル（６００ｎｍ付近を中心とした単独のピーク）が得られた。
【００２２】
次にルミネッセンス・スペクトル及び強度の測定法について説明する。ＥＬ素子のフォトルミネッセンス（ＰＬ）は、波長３５０ｎｍの単色光を励起光として、日本分光製蛍光分光光度計ＦＰ−６５００ＤＳを用いて測定した。測定時の試料の温度は全て室温である。このとき、使用した原料分散溶液のＰＬスペクトルも測定した。ＥＬの測定は低周波正弦波電圧をＩＴＯ電極、Ａｕ電極間に印加することで行った。Ａｕ電極の寸法を縦横それぞれ１ｍｍの長さの正方形とし、両電極にＩｎを介して周波数ｆ＝１００ｋＨｚ（周期０．０１ｍｓ）、電圧Ｖ＝１００Ｖｐｐの電圧（交流電場）を印加し、電流及び発光（ＥＬ）を測定したところ、約６００ｎｍでの発光が確認された。素子のガラス基板面から出射された発光を、光ファイバーで蛍光分光光度計の検出器に取り込み、測光したところ、素子のＰＬスペクトルと原料溶液のＰＬスペクトルはほぼ一致した。
【実施例２】
【００２３】
実施例２では、上述の実施例１において、ＴＯＰＯ（トリオクチルホスフィンオキシド）で表面修飾されたＣｏｒｅ／Ｓｈｅｌｌ構造を有するＣｄＳｅ（コア部分）／ＺｎＳ（シェル層）量子ドットの代わりに、ＴＯＰＯで表面修飾されたＣｏｒｅ／Ｓｈｅｌｌ構造を有するＩｎＰ（コア部分）／ＺｎＳｅ（シェル層）量子ドットを用いたこと以外は、同様にしてＥＬ素子を形成した。実施例２で用いた量子ドットは、コア径は約２．６ｎｍ、シェル厚は約１２ｎｍであった。周波数ｆ＝１０ｋＨｚ、電圧Ｖ＝１５０Ｖｐｐの電圧を印加したところ、約５４０ｎｍでの発光が確認された。
【００２４】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【国際調査報告】
2008013069.tif 000002
2008013069.tif 000003
2008013069.tif 000004
2008013069.tif 000005