河南大学&中科大Nature Photonics：兼具高亮度和高效率的可见区量子点发光二极管

【研究背景】

众所周知，随着上世纪九十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年诺贝尔物理奖）。量子点发光二极管(QLEDs)由于其改善了色彩饱和度、亮度、光谱可调性和较低的制造成本，在显示屏和照明这两个具有深远技术意义的主要应用领域得到了广泛的探索。基于量子点的发光二极管的最新进展已经满足了显示器的要求，这必然要求高外部量子效率(EQE)，但它们的工作在一个相对较低的亮度范围内(< 2000 cd/m²)。对于照明，必须同时超过亮度(~103-104 cd/m²)和EQE(~6%)的阈值。然而到目前为止几乎所有的QLED设备开发要么在高EQE但低亮度或相反。对于红色QLEDs，虽然EQE由于创新的设备设计而增加到18-20.5%，但峰值EQE的亮度仍然在100-2000 cd/m²范围内，远远低于照明阈值。对于绿色QLEDs, 460,000 cd/m²的高亮度和6%的EQE是最近才同时实现的。这对蓝色QLEDs来说更具挑战性，即使峰值EQE已经提高到10%以上，对应的亮度仍然非常低(约102 cd/m²)。如何使得QLEDs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领域的亟需解决的难题，也是制约其在高亮高效显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。

【成果简介】

近日，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共同报道了红色，绿色和蓝色QLED的最高亮度记录，最值得注意的是，亮度和EQE阈值同时被超越，使这些设备适用于显示和照明应用。作者从量子点的合成设计入手，构筑了以Se为阴离子贯穿元素的新型核壳结构高量子产率量子点（CdSe / ZnSe）。初始亮度为100 cd/m²时，红色，绿色和蓝色QLED的T50工作寿命（亮度降低到初始亮度的一半的时间）分别达到约1,600,000 h，1,700,000 h和7,000h。该核壳结构量子点实现了Se元素全颗粒分布及核、壳界面处的合金桥连，有效降低了空穴注入势垒，优化了量子点发光层能级与电荷传输层能级的匹配，提高了载流子的注入效率，克服了以往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，从而实现了器件整体性能的大幅度提升。通过量子点构筑了高性能红绿蓝三原色QLED器件，其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%。该成果近日以题为“Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency”发表在知名期刊Nature Photonics上。

【图文导读】

图一：器件结构及性能

（a）器件架构中不同层的平面示意图；
（b）红色，绿色和蓝色QLED的电流密度和亮度随电压的变化图示；
（c）EQE作为三原色亮度的函数，峰值EQE由虚线突出显示；
（d）红色，绿色和蓝色QLED的峰值EQE的直方图。

图二：三原色QLED器件的寿命

（a-c）不同初始亮度下红绿蓝QLEDs的寿命；
（d-f）在恒定驱动电流和指定初始亮度的环境条件下，红绿蓝QLEDs的亮度和驱动电压与工作时间的关系。

图三：绿色QLEDs的量子点形态和组成表征

（a）CdSe/6ML ZnSe核/壳QD的HAADF-STEM图像，ML-单层；
（b）CdSe/6ML ZnSe核/壳QD的STEM图像；
（c-g）在b中所示的相同CdSe/6ML ZnSe核/壳QD阵列中的Cd，Zn和Se的EDS图像；
（h）来自QD（顶部）的Cd，Zn和Se的元素分布，如暗场STEM图像（底部）中的绿色箭头所示，Zn曲线的下降表示ZnSe的壳性质。

图四：QLED的等效电路模型以及模拟和实验结果之间的比较

（a）由三种不同电流组成的运行机制：（1）通过QD的电流（IQD，虚线箭头）;（2）分流电流（Ishunt，点划线箭头）;（3）旁路电流（IPN，虚线箭头）；
（b）a中操作机构的等效电路模型，其中三个电流由两个并联二极管和分流电阻（Rshunt）建模；
（c）EQE的模拟（线）和实验结果（点）与电压的函数关系；
（d）电流的模拟（线）和实验结果（点）与电压的函数关系。

【小结】

作者已经展示了三原色QLED的高性能，它们在高亮度显示和照明应用中超越了亮度和EQE阈值。对于红色，绿色和蓝色，观察到的最大亮度值分别为356,000 cd/m²，614,000 cd/m²和62,600 cd/m²，这是迄今为止最亮的。这些器件还具有高EFL以及显著改善的寿命和优越的响应再现性。作者认为暂时应将这些进展归因于使用ZnSe作为壳材料以及在整个CdSe/ZnSe核/壳区域中存在Se，从而在低电压下产生高质量的界面，平衡的电荷注入和高电流密度。作者还开发了一种等效电路模型，用于捕获器件工作期间的主要观测值。总之，这项工作代表着QLEDs在实现高亮度、高效率和低处理成本的显示和潜在照明应用方面向前迈出了重要一步。

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

本文由材料人纳米组大兵哥供稿，材料牛整理编辑。

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