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兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管

2019-04-19

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?#24230;?#22522;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(356,000 cd/m2和614,000 cd/m2)和效率(21.6%和22.9%)、蓝色的亮度(62,600 cd/m2)以及绿色和蓝色器件的寿命(分别为1.7 × 106 h和7000 h)。该研究结果?#22411;?#21152;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?#24403;?#23572;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?#26102;?#21644;度和?#31995;?#30340;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?#25913;?#30340;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,?#24425;?#21046;?#35745;?#22312;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?#35780;藎?#25552;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?#20013;陆?#26500;体系,研究团队获得的红绿?#24230;?#33394;QLED器件的最高亮度和外量子效率,分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%,其中红、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?#38382;迪至?#20860;具高亮度高效率的红绿?#24230;?#22522;色QLED器件。


图2 红绿?#24230;?#33394;QLED器件性能

为了更精确地描述新型QLED的发光特性,研究团?#21491;?#20837;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?#21335;?#24050;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?#23478;?#36229;过了相应的阈值。


图3 红绿?#24230;?#33394;QLED“有效亮度” (EFL) 与?#24310;?#24037;作比较

器件的稳定性(寿命)是制?#35745;?#24212;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 × 106 h以上,蓝色的寿命达到7000 h以上,其中绿色和蓝色器件的寿命?#24425;?#30446;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。 

相关研究成果以Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency为题发表在Nature Photonics [ 2019, 13, 192–197]上。河南大学申怀彬教授为该论文第一作者,河南大学杜祖亮教授、李林松教授和中国科技大学张振宇教授为共同通讯作者。

该工作得到国家自然科学基金委和科技部等部门的资助。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0364-z



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