河南大學(xué)綠色I(xiàn)nP基 QD-LED材料與器件領(lǐng)域取得重大突破

　　2024年11月21日，河南大學(xué)納米科學(xué)與材料工程學(xué)院申懷彬教授與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院樊逢佳教授等在量子點(diǎn)領(lǐng)域合作的研究成果以“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”為題，在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》(Nature)上在線發(fā)表(DOI: 10.1038/s41586-024-08197-z)，標(biāo)志著無毒量子點(diǎn)LED技術(shù)取得重要進(jìn)展。這是河南大學(xué)首次作為第一單位在《自然》期刊發(fā)表研究成果。
 

　　LED顯示照明是我國(guó)的支柱半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，加快新型顯示照明LED研究，對(duì)于增強(qiáng)我國(guó)的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，有重要的意義。基于熒光量子點(diǎn)的電致發(fā)光器件(QD-LED)，相對(duì)于以往LED具有色域更廣、色純度更高、能耗更低等優(yōu)勢(shì)，有望在超高清顯示屏和高端照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的下一代主流發(fā)光顯示技術(shù)制高點(diǎn)之一。InP基量子點(diǎn)電致發(fā)光器件更是由于其環(huán)境友好的特點(diǎn)備受產(chǎn)業(yè)界青睞。相較于紅色和藍(lán)色器件，三基色之一的綠色I(xiàn)nP基QD-LED的效率和壽命成為制約全彩QD-LED商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵瓶頸。
 

　　為解決這一問題，河南大學(xué)申懷彬教授與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的樊逢佳教授等人再次合作，在揭示器件電子輸運(yùn)機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出并發(fā)展了新型大尺寸、高量子產(chǎn)率InP/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的合成和結(jié)構(gòu)調(diào)控方法，通過厚ZnSe中間殼層的包覆，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電子注入提升和電子泄漏抑制，成功構(gòu)筑了峰值外量子效率(EQE)達(dá)到26.68%，亮度達(dá)到270,000 cd m-2，1,000 cd m-2初始亮度下T95壽命長(zhǎng)達(dá)1,241 h的綠色I(xiàn)nP基QD-LED，刷新了世界紀(jì)錄。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的電激發(fā)瞬態(tài)吸收(EETA)技術(shù)分析了QD-LED的電子傳輸特征。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前基于綠色I(xiàn)nP/ZnSeS/ZnS量子點(diǎn)的QD-LED，由于存在較高的電子注入勢(shì)壘，發(fā)光層中電子濃度嚴(yán)重不足，無法填充缺陷(圖1)。為此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩步關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)：減少ZnSeS中間層中的ZnS含量(減少注入勢(shì)壘高度)，以及增加ZnSe中間層的厚度(增加限域勢(shì)厚度)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，減少ZnSeS中間層的ZnS含量后，盡管器件中電子注入顯著提升，但電子泄漏也隨之加劇；而通過增厚ZnSe中間層，能夠在保障器件中電子注入效率的同時(shí)抑制了漏電流的產(chǎn)生(圖2)，最終，使得綠色I(xiàn)nP基QD-LED性能大幅提升，其峰值EQE高達(dá)26.68%、峰值電流效率達(dá) 112.56 cd A-¹、最大亮度為 277,000 cd m-²、在1,000 cd m-2初始亮度下T95壽命超過了1,200 h(圖 3)。器件亮度、效率、壽命相對(duì)于以往領(lǐng)域內(nèi)前期世界紀(jì)錄分別提升了1.6、4、100倍。
 

　　本研究揭示了綠色I(xiàn)nP基QD-LED效率低下的關(guān)鍵原因，并提供了有效的解決方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電子注入提升和電子泄漏抑制，也為高性能QD-LED的設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

圖1：電激發(fā)瞬態(tài)吸收技術(shù)原理圖
 

圖2：提高綠色I(xiàn)nP基QD-LEDs 中電子濃度的策略
 

圖3：綠色QD-LEDs器件性能
 

　　博士研究生卞陽(yáng)陽(yáng)和嚴(yán)笑寒為共同第一作者，河南大學(xué)申懷彬教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授、北京交通大學(xué)唐愛偉教授、河南大學(xué)陳斐博士為共同通訊作者，河南大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委-區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、河南大學(xué)青年科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
 

　　申懷彬，教授，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者。二十年來一直從事II-VI族量子點(diǎn)發(fā)光材料及其電致發(fā)光器件(QLED)方面研究。近五年以第一/通訊作者在Nature(1篇)，Nat. Photonics(2篇)，Nat. Nanotechnol.(1篇)，Nat. Rev. Electr. Eng.(1篇)，Nat. Commun.(2篇)等期刊發(fā)表SCI論文50余篇，獲批國(guó)家發(fā)明專利17件，美國(guó)專利1件，技術(shù)轉(zhuǎn)讓2項(xiàng)。先后主持包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目(課題)，國(guó)家自然科學(xué)基金委區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金-優(yōu)秀青年項(xiàng)目等在內(nèi)的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目7項(xiàng)。