【儀表網 研發快訊】2024年11月21日，河南大學納米科學與材料工程學院申懷彬教授與中國科學技術大學物理學院樊逢佳教授等在量子點領域合作的研究成果以“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”為題，在國際頂級期刊《自然》(Nature)上在線發表(DOI: 10.1038/s41586-024-08197-z)，標志著無毒量子點LED技術取得重要進展。這是河南大學首次作為第一單位在《自然》期刊發表研究成果。
LED顯示照明是我國的支柱半導體產業，加快新型顯示照明LED研究，對于增強我國的產業競爭，有重要的意義。基于熒光量子點的電致發光器件(QD-LED)，相對于以往LED具有色域更廣、色純度更高、能耗更低等優勢，有望在超高清顯示屏和高端照明等領域得到廣泛應用，已經成為世界各國競相爭奪的下一代主流發光顯示技術制高點之一。InP基量子點電致發光器件更是由于其環境友好的特點備受產業界青睞。相較于紅色和藍色器件，三基色之一的綠色InP基QD-LED的效率和壽命成為制約全彩QD-LED商業化進程的關鍵瓶頸。
為解決這一問題，河南大學申懷彬教授與中國科學技術大學的樊逢佳教授等人再次合作，在揭示器件電子輸運機制的基礎上，提出并發展了新型大尺寸、高量子產率InP/ZnSe/ZnS核殼結構量子點的合成和結構調控方法，通過厚ZnSe中間殼層的包覆，同時實現了電子注入提升和電子泄漏抑制，成功構筑了峰值外量子效率(EQE)達到26.68%，亮度達到270,000 cd m-2，1,000 cd m-2初始亮度下T95壽命長達1,241 h的綠色InP基QD-LED，刷新了世界紀錄。
研究團隊通過自主研發的電激發瞬態吸收(EETA)技術分析了QD-LED的電子傳輸特征。研究發現，當前基于綠色InP/ZnSeS/ZnS量子點的QD-LED，由于存在較高的電子注入勢壘，發光層中電子濃度嚴重不足，無法填充缺陷(圖1)。為此，團隊設計了兩步關鍵實驗：減少ZnSeS中間層中的ZnS含量(減少注入勢壘高度)，以及增加ZnSe中間層的厚度(增加限域勢厚度)。實驗結果顯示，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抑制了漏電流的產生(圖2)，最終，使得綠色InP基QD-LED性能大幅提升，其峰值EQE高達26.68%、峰值電流效率達 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、壽命相對于以往領域內前期世界紀錄分別提升了1.6、4、100倍。
本研究揭示了綠色InP基QD-LED效率低下的關鍵原因，并提供了有效的解決方案，同時實現了電子注入提升和電子泄漏抑制，也為高性能QD-LED的設計提供了新思路。
圖1：電激發瞬態吸收技術原理圖
圖2：提高綠色InP基QD-LEDs 中電子濃度的策略
圖3：綠色QD-LEDs器件性能
博士研究生卞陽陽和嚴笑寒為共同第一作者，河南大學申懷彬教授和中國科學技術大學樊逢佳教授、北京交通大學唐愛偉教授、河南大學陳斐博士為共同通訊作者，河南大學為第一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金委-區域創新發展聯合基金、國家重點研發計劃、河南大學青年科研創新團隊等項目支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
申懷彬，教授，國家優秀青年基金獲得者。二十年來一直從事II-VI族量子點發光材料及其電致發光器件(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)等期刊發表SCI論文50余篇，獲批國家發明專利17件，美國專利1件，技術轉讓2項。先后主持包括國家重點研發計劃，科技創新2030重大項目(課題)，國家自然科學基金委區域聯合基金重點項目，國家自然科學基金-優秀青年項目等在內的國家級項目7項。
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