【研究背景】

眾所周知，隨著上世紀(jì)九十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(shí)代（三位日本科學(xué)家因此貢獻(xiàn)獲得了2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)）。量子點(diǎn)發(fā)光二極管(QLEDs)由于其改善了色彩飽和度、亮度、光譜可調(diào)性和較低的制造成本，在顯示屏和照明這兩個(gè)具有深遠(yuǎn)技術(shù)意義的主要應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的探索。基于量子點(diǎn)的發(fā)光二極管的最新進(jìn)展已經(jīng)滿足了顯示器的要求，這必然要求高外部量子效率(EQE)，但它們的工作在一個(gè)相對較低的亮度范圍內(nèi)(< 2000 cd/m²)。對于照明，必須同時(shí)超過亮度(~103-104 cd/m²)和EQE(~6%)的閾值。然而到目前為止幾乎所有的QLED設(shè)備開發(fā)要么在高EQE但低亮度或相反。對于紅色QLEDs，雖然EQE由于創(chuàng)新的設(shè)備設(shè)計(jì)而增加到18-20.5%，但峰值EQE的亮度仍然在100-2000 cd/m²范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于照明閾值。對于綠色QLEDs, 460,000 cd/m²的高亮度和6%的EQE是最近才同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。這對藍(lán)色QLEDs來說更具挑戰(zhàn)性，即使峰值EQE已經(jīng)提高到10%以上，對應(yīng)的亮度仍然非常低(約102 cd/m²)。如何使得QLEDs在高亮度的同時(shí)保持高效率、且具有長壽命和高穩(wěn)定性，是QLED領(lǐng)域的亟需解決的難題，也是制約其在高亮高效顯示和照明領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

【成果簡介】

近日，河南大學(xué)杜祖亮教授、李林松教授和中國科技大學(xué)張振宇教授共同報(bào)道了紅色，綠色和藍(lán)色QLED的最高亮度記錄，最值得注意的是，亮度和EQE閾值同時(shí)被超越，使這些設(shè)備適用于顯示和照明應(yīng)用。作者從量子點(diǎn)的合成設(shè)計(jì)入手，構(gòu)筑了以Se為陰離子貫穿元素的新型核殼結(jié)構(gòu)高量子產(chǎn)率量子點(diǎn)（CdSe / ZnSe）。初始亮度為100 cd/m²時(shí)，紅色，綠色和藍(lán)色QLED的T50工作壽命（亮度降低到初始亮度的一半的時(shí)間）分別達(dá)到約1,600,000 h，1,700,000 h和7,000h。該核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了Se元素全顆粒分布及核、殼界面處的合金橋連，有效降低了空穴注入勢壘，優(yōu)化了量子點(diǎn)發(fā)光層能級與電荷傳輸層能級的匹配，提高了載流子的注入效率，克服了以往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，從而實(shí)現(xiàn)了器件整體性能的大幅度提升。通過量子點(diǎn)構(gòu)筑了高性能紅綠藍(lán)三原色QLED器件，其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%。該成果近日以題為“Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency”發(fā)表在知名期刊Nature Photonics上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一：器件結(jié)構(gòu)及性能

 （a）器件架構(gòu)中不同層的平面示意圖；
（b）紅色，綠色和藍(lán)色QLED的電流密度和亮度隨電壓的變化圖示；
（c）EQE作為三原色亮度的函數(shù)，峰值EQE由虛線突出顯示；
（d）紅色，綠色和藍(lán)色QLED的峰值EQE的直方圖。

圖二：三原色QLED器件的壽命

 （a-c）不同初始亮度下紅綠藍(lán)QLEDs的壽命；
（d-f）在恒定驅(qū)動(dòng)電流和指定初始亮度的環(huán)境條件下，紅綠藍(lán)QLEDs的亮度和驅(qū)動(dòng)電壓與工作時(shí)間的關(guān)系。

圖三：綠色QLEDs的量子點(diǎn)形態(tài)和組成表征

 （a）CdSe/6ML ZnSe核/殼QD的HAADF-STEM圖像，ML-單層；
（b）CdSe/6ML ZnSe核/殼QD的STEM圖像；
（c-g）在b中所示的相同CdSe/6ML ZnSe核/殼QD陣列中的Cd，Zn和Se的EDS圖像；
（h）來自QD（頂部）的Cd，Zn和Se的元素分布，如暗場STEM圖像（底部）中的綠色箭頭所示，Zn曲線的下降表示ZnSe的殼性質(zhì)。

圖四：QLED的等效電路模型以及模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的比較

（a）由三種不同電流組成的運(yùn)行機(jī)制：（1）通過QD的電流（IQD，虛線箭頭）;（2）分流電流（Ishunt，點(diǎn)劃線箭頭）;（3）旁路電流（IPN，虛線箭頭）；
（b）a中操作機(jī)構(gòu)的等效電路模型，其中三個(gè)電流由兩個(gè)并聯(lián)二極管和分流電阻（Rshunt）建模；
（c）EQE的模擬（線）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（點(diǎn)）與電壓的函數(shù)關(guān)系；
（d）電流的模擬（線）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（點(diǎn)）與電壓的函數(shù)關(guān)系。

【小結(jié)】

作者已經(jīng)展示了三原色QLED的高性能，它們在高亮度顯示和照明應(yīng)用中超越了亮度和EQE閾值。對于紅色，綠色和藍(lán)色，觀察到的最大亮度值分別為356,000 cd/m²，614,000 cd/m²和62,600 cd/m²，這是迄今為止最亮的。這些器件還具有高EFL以及顯著改善的壽命和優(yōu)越的響應(yīng)再現(xiàn)性。作者認(rèn)為暫時(shí)應(yīng)將這些進(jìn)展歸因于使用ZnSe作為殼材料以及在整個(gè)CdSe/ZnSe核/殼區(qū)域中存在Se，從而在低電壓下產(chǎn)生高質(zhì)量的界面，平衡的電荷注入和高電流密度。作者還開發(fā)了一種等效電路模型，用于捕獲器件工作期間的主要觀測值。總之，這項(xiàng)工作代表著QLEDs在實(shí)現(xiàn)高亮度、高效率和低處理成本的顯示和潛在照明應(yīng)用方面向前邁出了重要一步。

文獻(xiàn)鏈接：

Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency (Nature Photonics, 2019, DOI: 10.1038/s41566-019-0364-z)