近日，实验室与中国科学技术大学、深圳大学、郑州大学等院校实验与理论合作，在量子点发光二极管（QLED）领域取得重要研究进展，相关成果以“兼具高亮度高效率的可见光区量子点发光二极管”（Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency）为题，于2019年2月21日以长文形式在线发表在光学领域顶级期刊《自然·光子学》上（Nature Photonics, 2019, 13, 192–197)。河南大学申怀彬教授为该论文第一作者，第二作者为侧重理论解释的中科大本科生研究助理高强；河南大学杜祖亮教授、李林松教授和中国科技大学张振宇教授为共同通讯作者。
众所周知，随着上世纪九十年代氮化镓基高亮度蓝光LED的突破，开启了LED照明和显示的新时代（三位日本科学家因此贡献获得了2014年诺贝尔物理奖）。基于半导体量子点的QLED，由于具有更好的单色性、色彩饱和度和较低的制备成本等优点，在显示和照明领域展现出广阔的应用前景，而发光亮度、外量子效率(EQE)和寿命是QLED走向应用的关键指标。经过近几年的快速发展，其各项指标都得到了大幅度提升；但在以往的工作中，总是高亮度时效率太低、高效率下亮度太低。如何在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域的亟需解决的难题，也是制约其在高亮高效显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。
造成上述“鱼与熊掌不可兼得”困境的主要原因在于，通常QLED发光层中量子点价带能级较深，与空穴传输层不匹配，导致空穴注入效率过低，与电子注入不平衡。针对这一核心问题，研究团队从量子点的设计合成入手，构筑了以Se为阴离子贯穿元素的新型核壳结构量子点（CdSe/ZnSe，见图1）。
(图1. CdSe/ZnSe核壳结构量子点球差电镜图，中科大林岳博士摄)
该核壳结构量子点实现了Se元素全颗粒分布及核、壳界面处的合金桥连，有效降低了空穴注入势垒，优化了量子点发光层能级与电荷传输层能级的匹配，提高了载流子的注入效率，克服了以往QLED中由于空穴注入不足、电子注入过多所引起的一系列问题，从而实现了器件整体性能的大幅度提升。
基于上述精心设计的高质量核壳结构量子点，团队构筑了高性能红绿蓝三基色QLED器件，其最高亮度和外量子效率分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其中红绿两色的亮度和效率以及蓝色的亮度都是目前国际上的最新记录(见图2)。
这种新型QLED与以往报道的工作相比，还具有两个显著不同的特征：一是在很高的注入电流（超过100 mA/cm2）时，仍能保持很高的亮度；二是在很高亮度时，仍能保持高的外量子效率，最大EQE出现在较高亮度区（红绿蓝三色分别对应13,300 cd/m2、52,500cd/m2、and 10,100 cd/m2）。该工作破解了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝三基色QLED器件。
(图2.红绿蓝三基色QLED器件性能图)
为了更准确地描述新型QLED的发光特性，团队引入了一个新概念——“有效亮度（EFL）”，其定义为峰值EQE与其相对应发光强度的乘积。图3是本工作三色QLED的EFL与文献已报道的工作的比较，可以看到，绿色器件的EFL提高了一倍，红蓝两色有近量级的提升。而且，从照明对亮度和效率的要求来看，本工作得到的三色QLED都已超过了相应的指标阈值。
(图3.红绿蓝三基色QLED“有效亮度”(EFL)与已有工作比较图)
QLED器件的工作稳定性（寿命）是制约其未来应用的另一个关键因素。该工作研发的新型QLED器件在寿命方面也表现出色，如图4所示，红色和绿色QLED寿命达到160万小时以上，蓝色寿命达到7000小时以上。绿色和蓝色器件的寿命也是目前最高纪录。
上述研究结果原理上展示了高亮高效QLED在显示与照明两大领域应用的可能性。
(图4.红绿蓝三基色QLED器件的性寿命指标)
这些突破性的进展，也很受益于团队实验与理论研究的互动性合作。在该项研究中，通过理论计算和模拟所建立的器件模型(图5)，不仅为材料体系的选择以及器件工作机制的理解提供了新的物理基础，也为未来QLED领域在量子点材料体系的设计和器件的进一步优化（尤其是蓝光）等方面提供了新思路。
(图5. QLED器件物理模拟计算和实验结果拟合图)
该工作得到了国家自然科学基金委和科技部等项目资助，河南省科技厅、河南省发改委和河南大学在平台建设上也给予了大力支持。
论文链接:https://doi.org/10.1038/s41566-019-0364-z。
首页
