浙江大學Nature?Communications：紅光/藍光QLED實現超長壽命

【引言】

膠體量子點是一種可溶液加工的半導體納米晶體，其表面包裹一層有機配體。量子點合成化學的進展可以使我們獲得具有高效、穩定和高純度熒光發射性能的發光材料。核/殼量子點的電致發光有望充分利用量子點優異的發光性能和可溶液加工性能，實現低成本、高性能的量子點發光二極管（QLED）、電驅動單光子源和潛在的電泵浦激光器。然而，高性能QLED的設計和制造仍然極具挑戰性。量子點在工作狀態下難以保持優異的發光特性，這通常被歸因于器件中不平衡的電荷注入和/或界面激子猝滅。以此為指導原則在材料篩選和器件工程方面做了大量的努力，但目前仍然僅有幾個有限特例實現了高效率和較長工作壽命的紅綠光QLED。這一局面說明，我們需要在基礎科學問題層面有新的理解，并提出量子點設計的新原則和指標，以跨越從光致發光與電致發光的鴻溝。

在光致發光中，激子是通過吸收光子將量子點價帶的電子激發到導帶而同時產生電子-空穴對，并限域在核-殼結構中。在電致發光中，激子是通過將電子和空穴分別注入量子點而產生的，而電子和空穴的注入都將經過量子點表面。這意味著，在設計高性能電致發光器件的量子點時，除了考慮表面配體對量子點光學性能的影響，還必須考慮它們的電化學特性。

?【成果簡介】

近日，浙江大學璞超丹、戴興良（共同一作）和金一政研究員、彭笑剛教授（共同通訊作者）等人提出了量子點應用于電致發光的新設計原則。研究人員發現了QLED工作時，具有電化學活性的配體可能被原位還原，從而大大降低器件效率和壽命。基于這一認識，提出將電化學惰性配體應用于QLED中的量子點，從而實現在電致發光器件中有效利用量子點優異的發光性能，獲得了工作壽命創紀錄的紅光二極管（在1000 cd m^-2時，T₉₅>3800小時）和藍光二極管（在100 cd m^-2時，T₅₀>10000小時）。這一材料設計原則對于提高QLED的電致發光效率和工作穩定性具有普遍意義，為解決QLED走向產業應用的瓶頸問題提供關鍵指導。相關研究成果以“Electrochemically-stable ligands bridge the photoluminescence-electroluminescence gap of quantum dots”為題發表在Nature?Communications上。

?【圖文導讀】

圖一、CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂和CdSe/CdS-RNH₂量子點的光致發光（PL）和電致發光（EL）性質（a）量子點表面羧酸鎘鹽配體與伯胺配體交換；

（b）吸收和穩態PL光譜；

（c）時間分辨熒光光譜；

（d）QLED器件結構示意圖；

（e）QLED電流密度和亮度與驅動電壓關系曲線；

（f）QLED的外量子效率（EQE）與驅動電壓關系曲線；

（g）在100 mA cm^-2的恒定電流密度下，QLEDs的電致發光穩定性。

圖二、CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子點的電化學還原（a）QLED中量子點相對PL效率隨電壓的變化；

（b）2 V 驅動下，CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子點在QLED中相對PL效率隨時間變化；

（c）單電子器件中量子點的相對PL效率；

（d）兩種類型CdSe/CdS核/殼量子點和油酸鎘的循環伏安曲線；

（e，f）CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子點在不同條件下的PL和微分俄歇電子能譜。

圖三、CdSe/CdS量子點的PL和EL性質與羧酸鎘濃度之間的關系（a）合成的CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子點（紅色）和完全表面處理的CdSe/CdS-RNH₂量子點（黑色）的紅外光譜；

（b）溶液中CdSe/CdS核/殼量子點的剩余羧酸鹽百分比和其熒光效率（PL QY）與配體交換過程中使用伯胺濃度的關系；

（c）量子點薄膜的PL QY、QLED的IQE、QLED的工作壽命和QLED的電壓間隙與量子點表面殘留羧酸配體含量的關系。

圖四、不同配體的紅光量子點的電化學穩定性和QLED性能（a）CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點在單電子器件中的相對PL效率隨時間變化；

（b）CdSe/CdS/ZnS核/殼/殼量子點在QLED中的相對PL效率隨時間變化；

（c，d）相對應QLED的EQE與驅動電壓關系曲線和恒流工作下的T₉₅壽命。

（e）不同配體CdSe/CdS核/殼量子點和CdSe/CdS/ZnS核/殼量子點內量子效率（IQE）和PL QY的比率。

圖五、藍光量子點的電化學穩定性和QLED性能（a）藍光量子點在單電子器件中的相對PL效率隨時間變化；

（b）藍光量子點在QLED中的相對PL效率隨時間變化；

（c）藍光QLED的EQE與電壓關系曲線；

（d）在恒流模式下驅動的藍光QLED工作壽命。

?【小結】

本文設計了一種簡單、通用的和基于材料的策略，可以有效地橋連量子點光致發光與電致發光，大大提升了紅光和藍光QLED的工作壽命。同時，配體的電化學穩定性是光電器件和電子器件量子點的關鍵設計參數，因為這些器件的工作都涉及向量子點注入電荷的過程。

?文獻鏈接：“Electrochemically-stable ligands bridge the photoluminescence-electroluminescence gap of quantum dots”(Nat. Commun.，2020，DOI:10.1038/s41467-020-14756-5)

本文由CYM編譯供稿。