中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在可見(jiàn)光量子點(diǎn)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位合作，在可見(jiàn)光量子點(diǎn)發(fā)光二極管（qled）方面取得突破性進(jìn)展。該工作通過(guò)設(shè)計(jì)合成新型核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，研發(fā)了兼具高亮度、高效率和長(zhǎng)壽命紅綠藍(lán)三基色qled器件，其中多項(xiàng)性能指標(biāo)創(chuàng)世界記錄，包括紅綠兩色的亮度（356,000 cd/m2和614,000 cd/m2）和效率（21.6%和22.9%）、藍(lán)色的亮度（62,600 cd/m2）以及綠色和藍(lán)色器件的壽命（分別為1.7 × 106 h和7000 h）。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(kāi)啟了led照明和顯示的新時(shí)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(jiǎng)）。基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(diǎn)，在顯示和照明領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)保持高效率、且具有長(zhǎng)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(yú)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(diǎn)價(jià)帶能級(jí)較深，與空穴傳輸層不匹配，導(dǎo)致空穴注入效率過(guò)低，與電子注入不平衡。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)從發(fā)光層量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)入手，基于“低溫成核、高溫長(zhǎng)殼”的技術(shù)，合成了熒光量子產(chǎn)率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的硒陰離子貫穿的cdse/znse新型核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)（圖1）。這類(lèi)高質(zhì)量核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)作為發(fā)光層，能改善與傳輸層能級(jí)的匹配，有效降低空穴注入勢(shì)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(guò)多所引起的一系列問(wèn)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(diǎn)球差電鏡和元素分布

基于這種新結(jié)構(gòu)體系，研究團(tuán)隊(duì)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356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/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(guó)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(shí)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(tuán)隊(duì)引入了一個(gè)新概念——“有效亮度（efl）”，定義為峰值eqe與其相對(duì)應(yīng)發(fā)光強(qiáng)度的乘積。圖3是本工作三色qled的efl與文獻(xiàn)已報(bào)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(jí)的提升。而且，從照明對(duì)亮度和效率的要求來(lái)看，本工作得到的三色qled都已超過(guò)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(gè)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× 106 h以上，藍(lán)色的壽命達(dá)到7000 h以上，其中綠色和藍(lán)色器件的壽命也是目前的世界最長(zhǎng)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(lái)qled的材料體系設(shè)計(jì)和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了新思路。