量子點發(fā)光材料與器件在寬色域、高亮度顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。加快相關(guān)技術(shù)研發(fā)，對增強(qiáng)我國電子信息與顯示面板產(chǎn)業(yè)競爭力具有重要意義。當(dāng)前綠光QD-LED在實現(xiàn)超高亮度下，仍難以滿足增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）及超高清顯示等前沿應(yīng)用的需求。盡管已有研究通過界面工程、載流子傳輸層優(yōu)化等手段提升了器件性能，但激子形成速率仍制約著器件亮度與外量子效率（EQE）的進(jìn)一步提升。

近日，河南大學(xué)納米科學(xué)與材料工程學(xué)院申懷彬團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳團(tuán)隊合作，在綠光量子點材料與發(fā)光器件研究中取得重要突破。該研究成果以“Hole migration enables efficient and ultra-bright green quantum dot LEDs”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

與光致發(fā)光過程中電子與空穴成對產(chǎn)生不同，電致發(fā)光過程中電子與空穴是分別注入量子點的，唯有二者注入同一量子點才能形成激子，因此，激子形成概率強(qiáng)烈依賴于載流子濃度。申懷彬團(tuán)隊前期采用電激發(fā)瞬態(tài)吸收（EETA）光譜研究發(fā)現(xiàn)，在器件實際工作狀態(tài)下，每個量子點內(nèi)載流子數(shù)量極低，導(dǎo)致激子生成概率受限，進(jìn)而影響器件亮度。如何在低載流子濃度條件下提高激子生成效率，成為提升QD-LED性能的關(guān)鍵難題。

針對這一挑戰(zhàn)，申懷彬團(tuán)隊與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳團(tuán)隊聯(lián)合開展研究，利用蒙特卡羅模型深入分析QD-LED中的載流子注入與激子形成機(jī)制。模擬結(jié)果顯示，提高載流子在量子點間的擴(kuò)散比例可顯著增強(qiáng)激子形成概率，尤其在較高注入電流條件下，即使輕微的點間擴(kuò)散也能大幅提升激子生成效率?；谏鲜隼碚撛O(shè)計并構(gòu)筑了具有大尺寸CdZnSe核與薄層ZnS殼的量子點結(jié)構(gòu)，有效降低空穴限域能力，促進(jìn)空穴在量子點之間的遷移。進(jìn)一步通過殼層工程精細(xì)調(diào)控載流子限域與擴(kuò)散的平衡，所制備的綠光QD-LED實現(xiàn)了30.7%的EQE（認(rèn)證效率29.5%），最大亮度突破1.9×106 cd/m2。高效率發(fā)光也顯著降低了器件發(fā)熱，在1000 cd/m2亮度條件下，器件T95工作壽命長達(dá)21,900小時，創(chuàng)下當(dāng)前綠光QD-LED領(lǐng)域在EQE、最大亮度及工作壽命三項關(guān)鍵性能指標(biāo)上的最高紀(jì)錄。

圖1 通過載流子擴(kuò)散加速量子點發(fā)光二極管中的電致發(fā)光

圖2 通過限域工程調(diào)控量子點薄膜的載流子轉(zhuǎn)移

圖3 量子點發(fā)光二極管的表征

圖4 量子點發(fā)光二極管運(yùn)行穩(wěn)定性表征

申懷彬，二級教授，國家自然科學(xué)基金委青A（原國家杰青）、青B（原國家優(yōu)青）基金獲得者，享國務(wù)院特殊津貼專家，河南省特聘教授/優(yōu)秀專家，中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。一直從事II-VI和III-V族量子點生長及其電致發(fā)光器件（QLED）研究，多次創(chuàng)下QLED亮度、效率、壽命等重要參數(shù)國際記錄。以第一或通訊作者在Nature，Nat. Photonics，Nat. Nanotechnol.，Nat. Rev. Electr. Eng.，Nat. Commun.等期刊發(fā)表SCI論文100余篇，引用超8000次，H因子51。授權(quán)國家發(fā)明專利28件，PCT專利1件，技術(shù)轉(zhuǎn)讓2項（7件專利），先后主持國家重點研發(fā)計劃，科技創(chuàng)新2030重大項目（課題），國家自然科學(xué)基金委區(qū)域聯(lián)合基金重點等8項國家級項目。以第一完成人獲中國光學(xué)十大進(jìn)展1項、河南省自然科學(xué)二等獎2項等獎勵，研究成果被人民日報、新華社、中國科學(xué)報、河南日報等主流媒體廣泛報道。

來源：河南大學(xué)