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11月21日，河南大學申懷彬教授團隊在量子點領域的研究成果以“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”為題，在國際頂級期刊《自然》發表標志著無毒量子點LED技術取得重要進展，這是河南大學首次作為第一通訊單位在《自然》期刊發表研究成果。
LED顯(xian)(xian)示照(zhao)明(ming)是我國的(de)支柱半導體產業(ye)(ye)，加快新型顯(xian)(xian)示照(zhao)明(ming)LED研究(jiu)，對(dui)于(yu)增(zeng)強(qiang)我國的(de)產業(ye)(ye)競(jing)爭(zheng)，有重要的(de)意義。基于(yu)熒光量(liang)子(zi)點的(de)電致發光器(qi)件(jian)(QD-LED)，相對(dui)于(yu)以往LED具有色(se)域(yu)更(geng)廣、色(se)純度(du)更(geng)高(gao)、能耗更(geng)低等優勢，有望(wang)在超高(gao)清顯(xian)(xian)示屏和(he)高(gao)端照(zhao)明(ming)等領域(yu)得(de)到廣泛應用。已經成為(wei)世界各國競(jing)相爭(zheng)奪的(de)下一代主(zhu)流(liu)發光顯(xian)(xian)示技術制高(gao)點之一。InP基量(liang)子(zi)點電致發光器(qi)件(jian)更(geng)是由于(yu)其環境友好(hao)的(de)特點備(bei)受產業(ye)(ye)界青睞(lai)。相較于(yu)紅色(se)和(he)藍(lan)色(se)器(qi)件(jian)，三基色(se)之一的(de)綠色(se)InP基QD-LED的(de)效(xiao)率和(he)壽命成為(wei)制約(yue)全彩QD-LED商業(ye)(ye)化進程(cheng)的(de)關鍵瓶頸(jing)。
為解決這一問題，河(he)南大學(xue)的(de)申懷彬教(jiao)(jiao)授與中國科學(xue)技術大學(xue)的(de)樊逢佳教(jiao)(jiao)授等人再次合作，在揭示器(qi)件(jian)電子輸運機制的(de)基礎上，提出并發展了(le)新型大尺寸、高量(liang)子產率(lv)InP/ZnSe/ZnS核殼(ke)結構量(liang)子點的(de)合成和結構調(diao)控方法(fa)，通過(guo)厚ZnSe中間殼(ke)層的(de)包覆，同時實現了(le)電子注入提升(sheng)和電子泄(xie)漏抑制，成功構筑了(le)峰值外量(liang)子效率(lv)(EQE)達到(dao)26.68%，亮(liang)度(du)(du)達到(dao)270,000 cd m-2，1,000 cd m-2初始亮(liang)度(du)(du)下T95壽命長達1,241 h的(de)綠色InP基QD-LED，刷新了(le)世界(jie)紀錄。
研(yan)究團隊通過自(zi)主研(yan)發(fa)的電(dian)激(ji)發(fa)瞬態吸(xi)收(shou)(EETA)技(ji)術分析了QD-LED的電(dian)子(zi)傳輸特征。研(yan)究發(fa)現，當前基(ji)于(yu)綠(lv)色InP/ZnSeS/ZnS量子(zi)點的QD-LED，由于(yu)存在較高(gao)的電(dian)子(zi)注入勢壘，發(fa)光層(ceng)中電(dian)子(zi)濃度嚴重不(bu)足，無法填充缺陷(圖1)。
為此，團隊設計了兩步關(guan)鍵(jian)實驗：減少(shao)ZnSeS中(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)中(zhong)(zhong)的(de)ZnS含(han)量(減少(shao)注入勢(shi)壘(lei)高(gao)度)，以及增(zeng)加ZnSe中(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)的(de)厚(hou)度(增(zeng)加限域勢(shi)厚(hou)度)。實驗結果顯示，減少(shao)ZnSeS中(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)的(de)ZnS含(han)量后，盡管器件中(zhong)(zhong)電子(zi)(zi)注入顯著提升，但電子(zi)(zi)泄漏也隨之加劇;而通過增(zeng)厚(hou)ZnSe中(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)，能(neng)夠在(zai)保(bao)障器件中(zhong)(zhong)電子(zi)(zi)注入效率的(de)同時(shi)抑制了漏電流(liu)的(de)產生(圖2)。
最終，使得綠色InP基QD-LED性能大幅提升(sheng)，其(qi)峰(feng)值EQE高達26.68%、峰(feng)值電流效(xiao)率達 112.56 cd A-1、最大亮(liang)(liang)度為 277,000 cd m-2、在1,000 cd m-2初始亮(liang)(liang)度下T95壽(shou)命超過了1,200 h(圖3)。器件亮(liang)(liang)度、效(xiao)率、壽(shou)命相(xiang)對(dui)于(yu)以(yi)往(wang)領域內前期世(shi)界紀錄(lu)分別提升(sheng)了1.6、4、100倍(bei)。
本研究揭示了(le)綠色InP基QD-LED效率(lv)低下的關鍵原因，并(bing)提(ti)供了(le)有效的解決方案，同時實現了(le)電(dian)(dian)子注(zhu)入提(ti)升和電(dian)(dian)子泄漏(lou)抑制，也為高性能(neng)QD-LED的設(she)計提(ti)供了(le)新思路。
博士研(yan)究生卞陽(yang)陽(yang)和嚴笑(xiao)寒為共(gong)同(tong)第一作者，河(he)南(nan)大學申懷彬教(jiao)(jiao)授和中(zhong)國(guo)科學技術大學樊(fan)逢佳教(jiao)(jiao)授、北京交(jiao)通大學唐愛偉教(jiao)(jiao)授、河(he)南(nan)大學陳斐博士為共(gong)同(tong)通訊(xun)作者，河(he)南(nan)大學為第一通訊(xun)單(dan)位(wei)。該研(yan)究得到了(le)國(guo)家自(zi)然科學基金(jin)委-區(qu)域創(chuang)新(xin)(xin)發展聯合基金(jin)、國(guo)家重點(dian)研(yan)發計劃、河(he)南(nan)大學優秀青年科研(yan)創(chuang)新(xin)(xin)團(tuan)隊等項目支(zhi)持。
論文鏈接：
//www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
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