河南大學&中科大Nature Photonics：兼具高亮度和高效率的可見區量子點發光二極管

【研究背景】

眾所周知，隨著上世紀九十年代氮化鎵基高亮度藍光LED的突破，開啟了LED照明和顯示的新時代（三位日本科學家因此貢獻獲得了2014年諾貝爾物理獎）。量子點發光二極管(QLEDs)由于其改善了色彩飽和度、亮度、光譜可調性和較低的制造成本，在顯示屏和照明這兩個具有深遠技術意義的主要應用領域得到了廣泛的探索。基于量子點的發光二極管的最新進展已經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相對較低的亮度范圍內(< 2000 cd/m²)。對于照明，必須同時超過亮度(~103-104 cd/m²)和EQE(~6%)的閾值。然而到目前為止幾乎所有的QLED設備開發要么在高EQE但低亮度或相反。對于紅色QLEDs，雖然EQE由于創新的設備設計而增加到18-20.5%，但峰值EQE的亮度仍然在100-2000 cd/m²范圍內，遠遠低于照明閾值。對于綠色QLEDs, 460,000 cd/m²的高亮度和6%的EQE是最近才同時實現的。這對藍色QLEDs來說更具挑戰性，即使峰值EQE已經提高到10%以上，對應的亮度仍然非常低(約102 cd/m²)。如何使得QLEDs在高亮度的同時保持高效率、且具有長壽命和高穩定性，是QLED領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域應用的關鍵技術瓶頸。

【成果簡介】

近日，河南大學杜祖亮教授、李林松教授和中國科技大學張振宇教授共同報道了紅色，綠色和藍色QLED的最高亮度記錄，最值得注意的是，亮度和EQE閾值同時被超越，使這些設備適用于顯示和照明應用。作者從量子點的合成設計入手，構筑了以Se為陰離子貫穿元素的新型核殼結構高量子產率量子點（CdSe / ZnSe）。初始亮度為100 cd/m²時，紅色，綠色和藍色QLED的T50工作壽命（亮度降低到初始亮度的一半的時間）分別達到約1,600,000 h，1,700,000 h和7,000h。該核殼結構量子點實現了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，優化了量子點發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，從而實現了器件整體性能的大幅度提升。通過量子點構筑了高性能紅綠藍三原色QLED器件，其最高亮度和外量子效率分別達到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”發表在知名期刊Nature Photonics上。

【圖文導讀】

圖一：器件結構及性能

（a）器件架構中不同層的平面示意圖；
（b）紅色，綠色和藍色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，峰值EQE由虛線突出顯示；
（d）紅色，綠色和藍色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QLEDs的壽命；
（d-f）在恒定驅動電流和指定初始亮度的環境條件下，紅綠藍QLEDs的亮度和驅動電壓與工作時間的關系。

圖三：綠色QLEDs的量子點形態和組成表征

（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。

圖四：QLED的等效電路模型以及模擬和實驗結果之間的比較

（a）由三種不同電流組成的運行機制：（1）通過QD的電流（IQD，虛線箭頭）;（2）分流電流（Ishunt，點劃線箭頭）;（3）旁路電流（IPN，虛線箭頭）；
（b）a中操作機構的等效電路模型，其中三個電流由兩個并聯二極管和分流電阻（Rshunt）建模；
（c）EQE的模擬（線）和實驗結果（點）與電壓的函數關系；
（d）電流的模擬（線）和實驗結果（點）與電壓的函數關系。

【小結】

作者已經展示了三原色QLED的高性能，它們在高亮度顯示和照明應用中超越了亮度和EQE閾值。對于紅色，綠色和藍色，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越的響應再現性。作者認為暫時應將這些進展歸因于使用ZnSe作為殼材料以及在整個CdSe/ZnSe核/殼區域中存在Se，從而在低電壓下產生高質量的界面，平衡的電荷注入和高電流密度。作者還開發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，這項工作代表著QLEDs在實現高亮度、高效率和低處理成本的顯示和潛在照明應用方面向前邁出了重要一步。

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

本文由材料人納米組大兵哥供稿，材料牛整理編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu