中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在可見光量子點發(fā)光二極管方面取得突破性進(jìn)展

最近，河南大學(xué)與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作，在可見光量子點發(fā)光二極管（QLED）方面取得突破性進(jìn)展。該工作通過設(shè)計合成新型核殼結(jié)構(gòu)量子點，研發(fā)了兼具高亮度、高效率和長壽命紅綠藍(lán)三基色QLED器件，其中多項性能指標(biāo)創(chuàng)世界記錄，包括紅綠兩色的亮度（356,000cd/m2和614,000cd/m2）和效率（21.6%和22.9%）、藍(lán)色的亮度（62,600cd/m2）以及綠色和藍(lán)色器件的壽命（分別為1.7×106h和7000h）。該研究結(jié)果有望加速推進(jìn)QLED在高亮高效顯示和照明領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)程。

20世紀(jì)90年代氮化鎵基高亮度藍(lán)光LED的突破，開啟了LED照明和顯示的新時代（三位日本科學(xué)家因此貢獻(xiàn)獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎）?；?a target="_blank">半導(dǎo)體量子點的QLED，由于具有更好的單色性、色彩飽和度和較低的制備成本等優(yōu)點，在顯示和照明領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，其發(fā)光亮度、外量子效率（EQE）和壽命等主要性能指標(biāo)都得到了大幅度提升。但在以往的工作中，器件存在高亮度時效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同時保持高效率、且具有長壽命和高穩(wěn)定性，是QLED領(lǐng)域亟待解決的難題，也是制約其在顯示和照明領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

造成上述“魚與熊掌不可兼得”困境的主要原因在于，通常QLED發(fā)光層中量子點價帶能級較深，與空穴傳輸層不匹配，導(dǎo)致空穴注入效率過低，與電子注入不平衡。針對這一難題，研究團隊從發(fā)光層量子點的設(shè)計入手，基于“低溫成核、高溫長殼”的技術(shù)，合成了熒光量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性強的硒陰離子貫穿的CdSe/ZnSe新型核殼結(jié)構(gòu)量子點（圖1）。這類高質(zhì)量核殼結(jié)構(gòu)量子點作為發(fā)光層，能改善與傳輸層能級的匹配，有效降低空穴注入勢壘，提高載流子的注入效率，克服以往QLED中由于空穴注入不足、電子注入過多所引起的一系列問題，從而大幅度提升器件整體性能。

圖1 CdSe/ZnSe核殼結(jié)構(gòu)量子點球差電鏡和元素分布

基于這種新結(jié)構(gòu)體系，研究團隊獲得的紅綠藍(lán)三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分別達(dá)到356,000cd/m2、614,000cd/m2、62,600cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其紅、綠兩色的亮度和效率以及藍(lán)色的亮度都是目前國際上的最高記錄（圖2）。該工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的關(guān)鍵難題，首次實現(xiàn)了兼具高亮度高效率的紅綠藍(lán)三基色QLED器件。

圖2 紅綠藍(lán)三色QLED器件性能

為了更精確地描述新型QLED的發(fā)光特性，研究團隊引入了一個新概念——“有效亮度（EFL）”，定義為峰值EQE與其相對應(yīng)發(fā)光強度的乘積。圖3是本工作三色QLED的EFL與文獻(xiàn)已報道工作的比較，可以看到，綠色器件的EFL提高了一倍，紅藍(lán)兩色有近量級的提升。而且，從照明對亮度和效率的要求來看，本工作得到的三色QLED都已超過了相應(yīng)的閾值。

圖3 紅綠藍(lán)三色QLED“有效亮度”(EFL)與已有工作比較

器件的穩(wěn)定性（壽命）是制約其應(yīng)用的另一個關(guān)鍵因素。該工作研發(fā)的新型QLED器件在壽命方面也表現(xiàn)出色，紅色和綠色QLED器件的壽命達(dá)到1.6×106h以上，藍(lán)色的壽命達(dá)到7000h以上，其中綠色和藍(lán)色器件的壽命也是目前的世界最長紀(jì)錄。

這些研究結(jié)果以及所建立的器件模型，不僅在原理上展示了QLED在高亮高效顯示與照明領(lǐng)域應(yīng)用的可能性，也為未來QLED的材料體系設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新思路。