中国科学技术大学在可见光量子点发光二极管方面取得突破性进展

最近，河南大学与中国科学技术大学等单位合作，在可见光量子点发光二极管（QLED）方面取得突破性进展。该工作通过设计合成新型核壳结构量子点，研发了兼具高亮度、高效率和长寿命红绿蓝三基色QLED器件，其中多项性能指标创世界记录，包括红绿两色的亮度（356,000cd/m2和614,000cd/m2）和效率（21.6%和22.9%）、蓝色的亮度（62,600cd/m2）以及绿色和蓝色器件的寿命（分别为1.7×106h和7000h）。该研究结果有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。

20世纪90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年诺贝尔物理学奖）。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。经过近几年的快速发展，其发光亮度、外量子效率（EQE）和寿命等主要性能指标都得到了大幅度提升。但在以往的工作中，器件存在高亮度时效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域亟待解决的难题，也是制约其在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。针对这一难题，研究团队从发光层量子点的设计入手，基于“低温成核、高温长壳”的技术，合成了荧光量子产率高、稳定性强的硒阴离子贯穿的CdSe/ZnSe新型核壳结构量子点（图1）。这类高质量核壳结构量子点作为发光层，能改善与传输层能级的匹配，有效降低空穴注入势垒，提高载流子的注入效率，克服以往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，从而大幅度提升器件整体性能。

图1 CdSe/ZnSe核壳结构量子点球差电镜和元素分布

基于这种新结构体系，研究团队获得的红绿蓝三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分别达到356,000cd/m2、614,000cd/m2、62,600cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其红、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高记录（图2）。该工作突破了以往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 红绿蓝三色QLED器件性能

为了更精确地描述新型QLED的发光特性，研究团队引入了一个新概念——“有效亮度（EFL）”，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都已超过了相应的阈值。

图3 红绿蓝三色QLED“有效亮度”(EFL)与已有工作比较

器件的稳定性（寿命）是制约其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，红色和绿色QLED器件的寿命达到1.6×106h以上，蓝色的寿命达到7000h以上，其中绿色和蓝色器件的寿命也是目前的世界最长纪录。

这些研究结果以及所建立的器件模型，不仅在原理上展示了QLED在高亮高效显示与照明领域应用的可能性，也为未来QLED的材料体系设计和器件结构优化提供了新思路。