(57)【要約】  電子輸送層と、活性層（１０）と、正孔輸送層と、を備える光電子素子が提供される。活性層は、層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造（１，２）と、それに含まれる量子ドット（３）とを備える。
2020502769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子輸送層と、
活性層と、
正孔輸送層と、を備え、
前記活性層は、層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造と、それに含まれる量子ドットとを備える、光電子素子。
【請求項２】
前記層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層は、前記電子輸送層および前記正孔輸送層に対して垂直または少なくとも実質的に垂直である、請求項１に記載の光電子素子。
【請求項３】
前記ペロブスカイトマトリックス構造の層は、前記電子輸送層と前記正孔輸送層との間のキャリアの拡散が前記２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層によって方向が制御されるように配置される、請求項１または請求項２に記載の光電子素子。
【請求項４】
前記量子ドットは、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項５】
アルキルアンモニウムヨウ化鉛が前記量子ドット上に形成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項６】
前記層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造の前記層は、アルキル基を有する有機カチオンを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項７】
前記層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、化学式Ａ2ＢＸ4を有するハロゲン化金属ペロブスカイトであり、Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項８】
前記層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、（ＢＡ）2ＰｂＩ4ペロブスカイトを含み、ＢＡはブチルアンモニウムカチオンとしてのＣ4Ｈ9ＮＨ3+カチオンを含み、ＰｂＩ42-は四ヨウ化鉛アニオンである、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項９】
前記層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、ＰｂＩ42-を含む層と交互になるＣ4Ｈ9ＮＨ3+を含む層を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の光電子素子。
【請求項１０】
光電子素子の製造方法であって、
正孔輸送層を提供するステップと、
活性層を提供するステップと、
電子輸送層を提供するステップと、を含み、
前記活性層は、層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造に量子ドットを入れることによって形成される、方法。
【請求項１１】
前記活性層を提供するステップは、
所定の材料、特に硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）を提供し、前記材料の量子ドット溶液を調整することと、
前記量子ドットを（ＢＡ）2ＰｂＩ4でキャップすることと、を含み、ＢＡはＣ4Ｈ9ＮＨ3+カチオンおよびブチルアンモニウムカチオンを含み、ＰｂＩ42-は四ヨウ化鉛アニオンである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記活性層を提供するステップは、
ペロブスカイト前駆体、特にＰｂＩ2およびＭＡＩを、アルキルアミン溶媒へ添加することと、
結果として生じる溶液を量子ドット溶液と混合することと、
アルキルアンモニウムヨウ化鉛が前記量子ドット上に形成されるように、配位子として機能するＭＡ＋カチオンをアミン分子によって置換することと、を含む、請求項１０〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の分野
本開示は、光電子素子に関し、より特定的には、赤外光電子素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
開示の背景
エレクトロルミネセント素子ともよばれる光電子素子は、発光ダイオード（ＬＥＤ：light emitting diode）またはフォトダイオードなどのダイオードを含む。このようなＬＥＤおよびフォトダイオード、特に赤外ＬＥＤ（ＩＲ−ＬＥＤ）および赤外（ＩＲ）フォトダイオードは、通信およびセンシング技術において用いられる。たとえば、ＩＲ  ＬＥＤは、３Ｄジェスチャ認識のための自動車部品または通信機器に統合され得る。
【０００３】
ＬＥＤおよびフォトダイオードの両者は、実質的に類似の構造を有する半導体ダイオードである。したがって、以下において、「ＬＥＤ」とよばれるとき、これはフォトダイオードも含み得る。ＬＥＤは、本質的に３つの層、すなわち、活性層（ＡＬ：active layer）が間に挟まれる、電子輸送層（ＥＴＬ：electron transport layer）および正孔輸送層（ＨＴＬ：hole transport layer）を備える。ＥＴＬおよびＨＴＬは、電荷伝達層（ＣＴＬ:charge transmission layer）ともよばれる。活性層は、発光層である。
【０００４】
光電子素子の重要な局面は、それらの効率、たとえば電気を光に変換するＬＥＤの効率または光を電気に変換するフォトダイオードの効率である。ＬＥＤの効率は、その外部量子効率（ＥＱＥ：External Quantum Efficiency）によって示される。ＬＥＤのＥＱＥは、装置を通過する電子の数に対するＬＥＤから放出される光子の数の比である。光電子素子の効率を改良するために、従来技術において異なるアプローチが存在していた。
【０００５】
特に、コロイド状粒子ドット（ＣＱＤ：colloidal quantum dot）は、光電子素子、特にＬＥＤの新たな生成を生み出すための最も有望な候補の１つである。これまで、ＣＱＤ系のＬＥＤの大部分は、異なる有機または無機材料を用いる２つのキャリア輸送層（すなわち、電子輸送層ＥＴＬおよび正孔輸送層ＨＴＬ）の間に挟まれるＣＱＤ放出（すなわち、活性）層を備える。
【０００６】
量子ドット（ＱＤ：Quantum dot）は、半導体ナノ粒子（＜１００ｎｍ）であり、サイズ調整可能なフォトルミネセンス（ＰＬ：photoluminescence）、狭放出線幅、高フォトルミネセンス量子産出量および優れた光安定性などの特有の光電子特性を有する。それらは、太陽電池、発光ダイオード（ＬＥＤ）および光検出器のための活性材料として広く用いられてきた。
【０００７】
溶液処理されたＱＤ系発光ダイオード（ＬＥＤ）は、可視分光領域および近赤外分光領域の両方におけるエレクトロルミネセンスを有する高効率および高輝度を示しており、ポリマー、有機分子およびさらには市販のグループＩＩＩ−Ｖ  ＬＥＤに対応するものに相当する。
【０００８】
電荷輸送の工学および放出物質は、ＱＤ層内でより良好な電荷注入／阻害挙動および放射再結合を持続的にもたらしており、より効率的な装置につながる。
【０００９】
発光波長に関して、溶液処理されたＱＤ系ＬＥＤは、放射性ＱＤ層が電子輸送層（ＥＴＬ）と正孔輸送層（ＨＴＬ）との間に挟まれる一般的なブルへテロ接合構造を有する。
【００１０】
ＱＤコア内の放射再結合の高効率は、ＥＴＬおよびＨＴＬの両方によって提供される効率的な電荷注入および阻害挙動によって決定されるだけでなく、ＱＤフォトルミネセンス量子効率（ＰＬＱＥ：photoluminescence quantum efficiency）にも依存する。ＮＩＲ  ＱＤ溶液は（特定の波長によって）最大〜４０％のルミネセンス効率を有するが、対応するＱＤフィルムのＰＬＱＥは、非放射再結合ならびに表面欠陥および材料界面における電荷キャリアの分離に起因してはるかに低い。
【００１１】
タイプＩコアシェルヘテロ構造の準備、または無機半導体もしくはポリマーマトリックスによるカプセル化など、いくつかの戦略が、このＰＬ自己失活効果を回避するために存在する。以下参照。
【００１２】
Ｔｅｓｓｌｅｒ，Ｎ．；Ｍｅｄｖｅｄｅｖ，Ｖ．；Ｋａｚｅｓ，Ｍ．；Ｋａｎ，Ｓ．；Ｂａｎｉｎ，Ｕ．効率的な近赤外ポリマーナノ結晶発光ダイオード（Efficient Near-Infrared Polymer Nanocrystal Light-Emitting Diodes）．Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２００２，２９５，１５０６−１５０８、
Ｓｔｅｃｋｅｌ，Ｊ．Ｓ．；Ｃｏｅ−Ｓｕｌｌｉｖａｎ，Ｓ．；Ｂｕｌｏｖｉｃ（ｃの上にアクセント記号），Ｖ．；Ｂａｗｅｎｄｉ，Ｍ．Ｇ．有機装置内に埋め込まれるＰｂＳｅ量子ドットからの１．３μｍ〜１．５５μｍの調整可能なエレクトロルミネセンス（1.3 μm to 1.55μm Tunable Electroluminescence from PbSe Quantum Dots Embedded within an Organic Device）．Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．２００３，１５，１８６２−１８６６、および
Ｍｏｒｏｚ，Ｐ．；Ｌｉｙａｎａｇｅ，Ｇ．；ｋｈｏｌｏｍｉｃｈｅｖａ，Ｎ．Ｎ．；Ｙａｋｕｎｉｎ，Ｓ．；Ｒｉｊａｌ，Ｕ．；Ｕｐｒｅｔｙ，Ｐ．；Ｂａｓｔｏｌａ，Ｅ．；Ｍｅｌｌｏｔｔ，Ｂ．；Ｓｕｂｅｄｉ，Ｋ．；Ｓｕｎ，Ｌ．；Ｋｏｖａｌｅｎｋｏ，Ｍ．Ｖ．；Ｚａｍｋｏｖ，Ｍ．マトリックスカプセル化による赤外発光ＰｂＳナノ結晶（Infrared Emitting PbS Nanocrystal Solids through Matrix Encapsulation）．Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２０１４，２６，４２５６−４２６４。
【００１３】
しかしながら、これらは、高い電荷輸送バリアを導入するため、装置電力消費を増加させる。これは、保護層（ポリマーまたはシェリング（shelling））のバンドキャップがＣＴＬからＱＤまでの電荷輸送を生み出すＱＤ放射性中央部のバンドギャップよりも大きいためである。
【００１４】
現在導入される量子ドット・イン・ペロブスカイト（ＤｉＰ：dot-in-pevrovkite）ヘテロ結晶は、ＮＩＲ  ＱＤ−ＬＥＤのための有望なプラットフォームであると立証されている。以下参照。
【００１５】
Ｎｉｎｇ，Ｚ．；Ｇｏｎｇ，Ｘ．；Ｃｏｍｉｎ，Ｒ．；Ｗａｌｔｅｒｓ，Ｇ．；Ｆａｎ，Ｆ．；Ｖｏｚｎｙｙ，Ｏ．；Ｙａｓｓｉｔｅｐｅ，Ｅ．；Ｂｕｉｎ，Ａ．；Ｈｏｏｇｌａｎｄ，Ｓ．；Ｓａｒｇｅｎｔ，Ｅ．Ｈ．量子ドット・イン・ペロブスカイト固体（Quantum Dot Near-Infrared Light-Emitting Diodes）．Ｎａｔｕｒｅ  ２０１５，５２３，３２４−３２８、および
Ｇｏｎｇ．Ｘ．；Ｙａｎｇ，ｚ．；Ｗａｌｔｅｒｓ，Ｇ．；Ｃｏｍｉｎ，Ｒ．；Ｎｉｎｇ，Ｚ．；Ｂｅａｕｒｅｇａｒｄ，Ｅ．；Ａｄｉｎｏｌｆｉ，Ｖ．；Ｖｏｚｎｙｙ，Ｏ．；Ｓａｒｇｅｎｔ，Ｅ．Ｈ．高効率量子ドット近赤外発光ダイオード（High Efficient Quantum Dot Near-Infrared Light-Emitting Diodes）．Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  ２０１６，１０，２５３−２５７。
【００１６】
ＱＤにエピタキシャル的に一致するペロブスカイトマトリックスによって提供される長いキャリア拡散長さによって、ＤｉＰ薄層フィルムは、ＱＤのＰＬＱＥを損なうことなく効率的な電荷輸送を示す。対応する装置は、高光輝、およびより重要には、５．２％の電力変換効率、ＮＩＲ  ＱＤ  ＬＥＤにおける新記録を示す。
【００１７】
ハロゲン化金属ペロブスカイトは、一般化学式ＡＢＸ3を共有する。Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。劣化に対する向上された安定性を目的とした３−Ｄ（３次元）ペロブスカイト｛メチルアンモニウムハロゲン化鉛（ＭＡＰｂＸ3，Ｘ＝Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ）｝を有するＰｂＳ  Ｑｄのカプセル化が、現在、研究されている。
【００１８】
しかしながら、メチルアンモニウムハロゲン化鉛（ＭＡＰｂＸ3、Ｘ＝Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ）などのこれらの３Ｄ有機鉛系ペロブスカイトマトリックスは、それらの低い形成エネルギおよびメチルアンモニウムカチオンの振動によって、それらの本来の熱および湿気に対する低い安定性に悩まされる。これは、順方向バイアス下でのペロブスカイト結晶の漸進的な分解をもたらし、〜４．５Ｖの比較的低い電圧でＤｉＰハイブリッドＬＥＤを損傷させる。
【００１９】
３Ｄペロブスカイトマトリックスの概念は、図４に示され、電流注入が異なる方向から起こり得、ペロブスカイトマトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸に沿った伝導性が同じであるべきであることが示される。それ故に、キャリアは、外部荷重のために抽出される前に素早くエネルギを失い得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
開示の概要
現在、向上された効率ならびに特に熱および湿気に対する安定性を有する光電子素子を提供することが望ましいままである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
したがって、本開示の実施形態によれば、光電子素子は、電子輸送層と、活性層と、正孔輸送層とを備えるように提供される。活性層は、層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造と、それに含まれる量子ドットとを含む。
【００２２】
したがって、活性層は、２−Ｄ（２次元）ペロブスカイト封入量子ドットを含む。上記ペロブスカイトは、光活性材料でもある。以下参照。
【００２３】
ＣａＯ，Ｄ．Ｈ；Ｓｔｏｕｍｐｏｓ，Ｃ．Ｃ．；Ｆａｒｈａ，Ｏ．Ｋ．；Ｈｕｐｐ，Ｊ．Ｔ．；Ｋａｎａｔｚｉｄｉｓ，Ｍ．Ｇ．太陽電池用途のための光吸収材料としての２Ｄ相同ペロブスカイト（2D Homologous Pervoskites as Light-Absorbing Materials for Solar Cell Applications）．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ２０１５，１３７，７８４３−７８５０。
【００２４】
言い換えれば、活性層において、キャリア注入マトリックスは、３Ｄペロブスカイトの代わりに２Ｄペロブスカイトに基づく量子ドットを取り囲んで作り出される（すなわち、提供される）。これは、２Ｄの場合には、鉛直方向（水平方向に配置された電子輸送層および正孔輸送層に対して）のみが層状構造の特定の起源によって高伝導性を維持するためである。これは、低下された損失およびより高いキャリア抽出効率をもたらし得る。
【００２５】
２Ｄおよび３Ｄという用語は、望ましくは、異なるペロブスカイト構造を表す。３Ｄ構造は、ＡＢＸ3の一般化学式を共有し得る。Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。本開示に係る２Ｄ構造は、Ａ2ＢＸ4の化学式を有し得る。Ａは一価の嵩高いカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。
【００２６】
層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層は、電子輸送層および正孔輸送層に対して垂直または少なくとも実質的に垂直であり得る。
【００２７】
ペロブスカイト構造の層は、電子輸送層と正孔輸送層との間の（電子）キャリアの拡散が２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層によって方向が制御されるように配置され得る。
【００２８】
したがって、ペロブスカイトマトリックス構造の層は、電子輸送層と正孔輸送層との間のキャリア（すなわち、電子および／または正孔）の拡散が鉛直方向に方向が制御されるように、水平方向に配置された電子輸送層および水平方向に配置された正孔輸送層に対して鉛直方向に配置され得る。言い換えれば、２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層は、キャリアが水平方向、すなわち層に平行でない方向に移動することを抑制する。
【００２９】
量子ドットは、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）を含み得る。
上記材料ＰｂＳは、赤外スペクトラムで発光するように構成される光電子素子（ＩＲ−ＬＥＤなど）を提供するのに好適である。しかしながら、他の材料または材料の組み合わせも用いられ得る。たとえば、量子ドットは、ＩＩ−ＩＶ、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩまたはＩＶ−ＶＩ型からの材料を含み得る。
【００３０】
望ましくは、アルキルアンモニウムヨウ化鉛が、量子ドット上に形成される。
層状２次元ペロブスカイトマトリックスの層は、構造表面に付着された絶縁有機配位子を含み得る。
【００３１】
層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造の層は、アルキル基を有する有機カチオンを含み得る。
【００３２】
層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、化学式Ａ2ＢＸ4を有するハロゲン化金属ペロブスカイトであり得る。Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。
【００３３】
層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、（ＢＡ）2ＰｂＩ4ペロブスカイトを含む層を有し得る。ＢＡは、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+カチオン、ブチルアンモニウムカチオンを含み得る（または、からなる）。ＰｂＩ42-は、四ヨウ化鉛アニオンであり得る。
【００３４】
層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造は、ＰｂＩ42-を含む層と交互になるＣ4Ｈ9ＮＨ3+を含む層を有し得る。
【００３５】
ＰｂＩ42-層は、望ましくは２Ｄペロブスカイト構造の一部である。
２Ｄペロブスカイトは、たとえばＡ2ＰｂＩ4であり得る。Ａは一価のカチオンである。
【００３６】
実際に、２つのイオン（ここでは、ＰｂＩ42-およびＣ4Ｈ9ＮＨ3+）は、２Ｄペロブスカイト結晶フィルムを構築し得る。ＰｂＩ42-はアニオンであり、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+はカチオンである。
【００３７】
本発明は、光電子素子を製造する方法にも言及する。上記方法では、正孔輸送層、活性層、および電子輸送層が提供される。活性層は、層状２次元ペロブスカイトマトリックス構造に量子ドットを入れることによって形成される。
【００３８】
活性層を提供するステップは、
所定の材料、特に硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）を提供し、上記材料の量子ドット溶液を調製することと、
量子ドットを（ＢＡ）2ＰｂＩ4でキャップすることと、を含み得る。
【００３９】
ＢＡは、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+カチオン、ブチルアンモニウムカチオン含み得る（または、からなる）。ＰｂＩ42-は、四ヨウ化鉛アニオンであり得る。
【００４０】
活性層を提供するステップは、
ペロブスカイト前駆体、特にＰｂＩ2およびＭＡＩ（ヨウ化メチルアンモニウム）を、アルキルアミン溶媒へ添加することと、
結果として生じる溶液を量子ドット溶液と混合することと、
アルキルアンモニウムヨウ化鉛が量子ドット上に形成されるように、配位子として機能するＭＡ＋カチオンをアミン分子によって置換することと、を含み得る。
【００４１】
ＭＡ+は、メチルアンモニウムカチオンＣＨ3ＮＨ3+であり得る。
上述の要素と明細書内でのそれらとの組み合わせは、矛盾する場合を除き、なされ得ることが意図される。
【００４２】
先述の一般的な記載および以下の詳細な説明はいずれも例示であり、説明上のもののみであり、要求されるように開示を制限するものではないことが理解されるべきである。
【００４３】
この明細書の一部に含まれ、この明細書の一部を構成する添付の図面は、説明と合わせて本開示の実施形態を例示し、その原理の説明のために役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本開示の実施形態に係る例示の光電子素子の活性層の概略図である。
【図２】図１の活性層の理論上のモデルを示す図である。
【図３ａ】本開示の実施形態に係る概略的な例示の光電子素子を示す図である。
【図３ｂ】図３ａの光電子素子に対応するバンド配列を示す図である。
【図４】先行技術の光電子素子の活性層の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
実施形態の説明
ここで、本開示の例示の実施形態が詳細に参照され、その例が添付の図面に示される。可能である限り、同一の参照番号が、同一または類似の部分を表すために図面を通して用いられる。
【００４６】
図１は、本開示の実施形態に係る例示の光電子素子の活性層１０の概略図を示す。活性層１０は、複数の量子ドット３を取り囲むキャリア注入マトリックスからなる（すなわち、ドット・イン・２Ｄペロブスカイト活性層１０）。キャリア注入マトリックスは、先行技術（図４も参照）から知られるような３Ｄペロブスカイトの代わりに、２Ｄペロブスカイトに基づく。これは、２Ｄの場合、図１に示されるように、層状構造の特定の起源によって鉛直方向のみが高伝導性を維持するためである。これは、低下された損失およびより高いキャリア抽出効率をもたらし得る。
【００４７】
２Ｄおよび３Ｄという用語は、異なるペロブスカイト構造を表す。３Ｄ構造がＡＢＸ3の一般化学式を共有する。Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。２Ｄ構造は、Ａ2ＢＸ4の化学式を有する。Ａは一価の嵩高いカチオンであり、Ｂは二価の金属イオンまたはイオン結合であり、Ｘはハロゲン基である。
【００４８】
特に、キャリア注入マトリックスは、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+層２によって互いに分離されるＰｂＩ42-八面体層１を含み得る。言い換えれば、ＰｂＩ42-八面体層１は、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+層２に挟まれる。
【００４９】
ＰｂＩ42-層は、２Ｄペロブスカイト構造の一部である（２ＤペロブスカイトはＡ2ＰｂＩ4であり、Ａ＝一価のカチオン）。実際に、２つのイオンＰｂＩ42-およびＣ4Ｈ9ＮＨ3+は、２Ｄペロブスカイト結晶フィルムを構築する。ここで、ＰｂＩ42-はアニオンであり、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+はカチオンである。したがって、図１に示される層は、実際の活性層の概略的な図である。
【００５０】
図１には、水平方向の層がたとえば量子ドット３の上下に存在し得る、すなわち、鉛直方向に沿って配置されない層が存在し得ることが概略的に示される。これらの層は、概略的に配位子を表し、それによって量子ドット表面は良好に不活性化される。実際の活性層において、それらの表面層は、それぞれ薄くなり得るため、ペロブスカイトから量子ドットへの電荷移送に影響し得ない。
【００５１】
量子ドット３は、コロイド状量子ドットであり得る。量子ドット３は、たとえば４．０〜５．０ｅＶのバンドギャップを有する任意の半導体粒子として規定される。しかしながら、量子ドットのバンドギャップは、調整可能であり、それ故に、他の値が選択されてもよい。量子ドットは、ＩＩ−ＩＶ、ＩＩＩ−Ｖ、ＩＩ−ＶＩまたはＩＶ−ＶＩ型からの材料で作製される。より好ましくは、量子ドットは、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）を含む。この材料は、ＬＥＤがＩＲ−ＬＥＤとして構成される場合に特に好適である。量子ドット３は、湿式化学合成法または物理、化学蒸着法によって準備され得る。
【００５２】
図１では、ドット・イン・２Ｄペロブスカイト活性層１０内の電荷注入の概念も示される。なお、２Ｄペロブスカイトマトリックスを通したキャリアの鉛直方向輸送の場合のみが図１に示される。ドット・イン・２Ｄペロブスカイトにおいて、キャリア注入は、所定の方向（たとえば、図１においては、基板に対して鉛直方向）に制限される。望ましくは、上記所定の方向は、たとえば図３Ａに示されるような、電子輸送層および正孔輸送層に対して実質的に垂直方向である。
【００５３】
キャリア拡散は方向が制御される（すなわち、鉛直方向に）ため、注入された電子および正孔は、単一のドットにおいて効率的に出会うことができる。この制限は、キャリアのための適度なバリアを形成するペロブスカイトの内部の有機分離層によって容易にされる。
【００５４】
図２は、図１の活性層の理論上のモデルを示す。ドット・イン・２Ｄペロブスカイト活性層１０の理論上のモデルは、２Ｄペロブスカイトの層状構造を明確に示す。図２では、図１の量子ドット３および層１のＰｂＩ42-アニオンのみが示される。Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+カチオンは、明確化のために示されていない。
【００５５】
層状の構造ガイドされた制限された電荷拡散の推測される機構が、図１に示される。まず、鉛直方向（すなわち、ＰｂＩ42-八面体層１に平行）に沿った電荷拡散は、ＥＴＬ／ＨＴＬ層からＰｂＩ2、その後の直接的な量子ドットへのキャリアの鉛直方向の注入を高める。Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+層２よりもはるかに伝導性が高いため、キャリアは、通常、ＰｂＩ42-層（図１の層１）の中を移動する。これは、単一の量子ドット３の電荷再結合を加速させる。これは、本開示に係るすべてのテストされた装置がＰｂＳ  ＱＤの内在バンドギャップ（〜１ｅＥ）に近い１．１〜１．４ｅＶの低いターンオン電圧を示したということからサポートされる。
【００５６】
一方で、有機基（アルキル鎖（Ｃ4Ｈ9-）が有機部分とみなされ得る）の長さおよび立体障害は、バリアを調整するようにさらに合わせられ得るため、電荷キャリアは依然として横方向（すなわち、図１の鉛直方向）に沿って容易に拡散することができる。これらの調整に基づいて、活性材料のフォトルミネセンス量子効率は、拡散方向に沿った励起子移動によって影響を受けない。したがって、装置のターンオン電圧は、絶縁有機配位子骨格の挿入によって大幅に上昇しないため、良好な外部量子効率が保たれる。
【００５７】
以下に、本開示に係る活性層を提供する（すなわち、活性層を製造する）例示の方法が説明される。赤外領域におけるＰｂＳ  ＱＤ発光は、いくつかの修正を伴う十分に開発されたホットインジェクション法に沿って合成された。オレイン酸表面配位子は、ＭＡＰｂＩ3ペロブスカイトで交換され、次の精製処理によってさらに除去された。ＱＤはＰｂＳ  ＱＤであるが、表面はペロブスカイト配位子（たとえば、本明細書に説明されたようなＣＨ3ＮＨ3ＰｂＩ3）によって不活性化された。ＭＡＰｂＩ3キャップされたＱＤは、ブチルアミン、ペンチルアミン、およびヘキシルアミンなどの親水性揮発性アルキルアミン溶媒に非常に溶けやすい。ペロブスカイト前駆体（すなわち、ＰｂＩ2およびＭＡＩ）の所望の量も、アルキルアミン溶媒に添加された。
【００５８】
この溶液は、その後、交換されたＱＤ溶液とともに混合される。再分散の間、配位子として機能するＭＡ＋カチオンは、その後、アルキルアンモニウムヨウ化鉛がＰｂＳ  ＱＤ上に形成されるようにアミン分子によって置換された。ペロブスカイト前駆体を有する交換されたＱＤは、最終的に、ガラス基板上へスピンキャストされ、不活性雰囲気下、７０℃でアニールされた。結果として生じる活性層は、上述され、図１および図２に概略的に示されるように、ＰｂＳ  ＱＤ３と、（ＰｂＩ42-アニオンおよびＣ4Ｈ9ＮＨ3+を含む）２Ｄペロブスカイトとを含む。
【００５９】
２Ｄペロブスカイト形成の存在は、ｘ線回折（ＸＲＤ）によって確かめられ得る。ＸＲＤによって反映される結晶の配向は、特に、たとえば図１に示されるように、鉛直方向層の存在として２Ｄペロブスカイト結晶配列の配向を確かにし得る。
【００６０】
図３ａは、本開示の実施形態に係る概略的な例示の光電子素子（たとえば、ＬＥＤ１００）を示す。
【００６１】
ＬＥＤ１００は、電子輸送層（ＥＴＬ）１２と、活性層１０と、正孔輸送層（ＨＴＬ）１４とを備える。活性層は、電子輸送層（ＥＴＬ）１２と正孔輸送層（ＨＴＬ）１４との間に配置される。ＨＴＬ１４は、Ｆ８（ＰＦＯ  ポリフルオレン）を含んでもよく、Ｆ８からなってもよい。ＥＴＬ１２は、ＴｉＯ2（二酸化チタン）を含んでもよく、ＴｉＯ2からなってもよい。例示のＬＥＤは、第１の電極１５および第２の電極１６と、基板（図示せず）とをさらに備えてもよい。第１の電極１５は、カソードとして動作され得る。第２の電極１６は、アノードとして動作され得る。第１の電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）層を含み得る。さらに、第２の電極は、銀（Ａｇ）層とＭｏＯ3（三酸化モリブデン）層とを備えてもよい。図３ａに示されるように、Ａｇは、望ましくは、ＭｏＯ3の頂部上にある。基板は、ガラス基板であり得る。第１の電極または第２の電極は、基板上でコーティングされてもよい。
【００６２】
図３ｂは、図３ａの光電子素子に対応するバンド配列を示す。特に、図３ｂは、本開示に係る光電子素子のエネルギレベルダイアグラムを示す、すなわち、ＬＥＤ１００の単一層のｅＶの真空以下のエネルギレベルを示す。アノードとして用いられる第２の電極１６は、好ましくは−５．７ｅＶのレベルを有する。正孔輸送層は、好ましくは、−５．８ｅＶ〜−２．９ｅＶの範囲に及ぶエネルギレベルを有する。活性層１０は、好ましくは、−５．０ｅＶ〜−４．０ｅＶの範囲に及ぶエネルギレベルを有する。代替的には、活性層は、ＬＥＤのこの特定的な構造に利用可能であるバンドギャップ領域である、１．７〜３．５ｅＶまたは−３．３〜−５．７ｅＶのエネルギバンドギャップを有し得る。電子輸送層は、好ましくは、−７．２ｅＶ〜−４．０ｅＶの範囲に及ぶエネルギレベルを有する。カソードとして用いられる第１の電極１５は、好ましくは、−４．８ｅＶのレベルを有する。
【００６３】
図３Ｂも、活性層の材料を示す、すなわち、ＰｂＳ量子ドットおよび取り囲む２Ｄペロブスカイトを意味する。上記ペロブスカイトは、化学式（ＢＡ）2ＰｂＩ4を有し得る。ＢＡは、Ｃ4Ｈ9ＮＨ3+カチオンとブチルアンモニウムカチオンを含んでもよい。Ｐｂｉ42-は、四ヨウ化鉛アニオンであり得る。
【００６４】
比較例として、図４は、先行技術の例示の光電子素子の活性層の概略図を示す。特に、図４は、ペロブスカイトマトリックスからＰｂＳ  ＣＱＤ３’へのドット・イン・３Ｄペロブスカイト活性層１０’内の電荷注入の概念を概略的に示す。３Ｄペロブスカイトマトリックス概念において、電流注入は異なる方向からのものであり得、ペロブスカイトマトリックスのｘ、ｙ、ｚ軸に沿った伝導性は同じであるべきである。それ故に、キャリアは、外部荷重のために抽出される前に素早くエネルギを失い得る。３Ｄペロブスカイトマトリックスは、ハロゲン化金属ペロブスカイト結晶ＡＢＸ3からなり得る。Ａは一価のカチオンであり、Ｂは二価の金属カチオンであり、Ｘはハロゲンアニオンである。図４に示され、３Ｄペロブスカイトに用いられるさらなる材料は、ＭＡ+である。ＭＡ+は、メチルアンモニウムカチオンＣＨ3ＮＨ3+であり得る。
【００６５】
請求項を含めた本開示を通して、「ａを含む」という用語は、別段の定めがない限り、「少なくとも１つを含む」と同意語であるとして理解されるべきである。加えて、請求項を含めた本説明に記載される範囲は、別段の定めがない限り、その終値を含むものとして理解されるべきである。説明された要素のための特定的な値は、当業者にとって周知である許容される製造または工業公差内にあるとして理解されるべきであり、「実質的に」および／または「約」および／または「概ね」という用語の使用は、このような許容される公差内にあることを意味すると理解されるべきである。
【００６６】
国の、国際的なまたは他の標準化団体の標準が参照される場合（たとえば、ＩＳＯ等）、このような参照は本明細書の優先日の時点での国のまたは国際的な標準化団体によって規定されるような標準を意味することが意図される。このような標準への続く実質的な変化は、本開示および／または請求項の範囲および／または定義を修正するように意図されない。
【００６７】
本明細書における本開示は特定の実施形態を参照して説明されたが、これらの実施形態は本開示の原理および用途の単なる例示であると理解されるべきである。
【００６８】
本明細書および例示は単に例示として考慮されることが意図され、本開示の真の範囲は以下の請求項によって示される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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