2024年11月21日，河南大学纳米科学与材料工程学院申怀彬教授与中国科学技术大学物理学院樊逢佳教授等在量子点领域合作的研究成果以“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”为题，在国际顶级期刊《自然》(Nature)上在线发表(DOI: 10.1038/s41586-024-08197-z)，标志着无毒量子点LED技术取得重要进展。这是河南大学首次作为第一单位在《自然》期刊发表研究成果。
LED显示照明是我国的支柱半导体产业，加快新型显示照明LED研究，对于增强我国的产业竞争，有重要的意义。基于荧光量子点的电致发光器件(QD-LED)，相对于以往LED具有色域更广、色纯度更高、能耗更低等优势，有望在超高清显示屏和高端照明等领域得到广泛应用，已经成为世界各国竞相争夺的下一代主流发光显示技术制高点之一。InP基量子点电致发光器件更是由于其环境友好的特点备受产业界青睐。相较于红色和蓝色器件，三基色之一的绿色InP基QD-LED的效率和寿命成为制约全彩QD-LED商业化进程的关键瓶颈。
为解决这一问题，河南大学申怀彬教授与中国科学技术大学的樊逢佳教授等人再次合作，在揭示器件电子输运机制的基础上，提出并发展了新型大尺寸、高量子产率InP/ZnSe/ZnS核壳结构量子点的合成和结构调控方法，通过厚ZnSe中间壳层的包覆，同时实现了电子注入提升和电子泄漏抑制，成功构筑了峰值外量子效率(EQE)达到26.68%，亮度达到270,000 cd m-2，1,000 cd m-2初始亮度下T95寿命长达1,241 h的绿色InP基QD-LED，刷新了世界纪录。
研究团队通过自主研发的电激发瞬态吸收(EETA)技术分析了QD-LED的电子传输特征。研究发现，当前基于绿色InP/ZnSeS/ZnS量子点的QD-LED，由于存在较高的电子注入势垒，发光层中电子浓度严重不足，无法填充缺陷(图1)。为此，团队设计了两步关键实验：减少ZnSeS中间层中的ZnS含量(减少注入势垒高度)，以及增加ZnSe中间层的厚度(增加限域势厚度)。实验结果显示，减少ZnSeS中间层的ZnS含量后，尽管器件中电子注入显著提升，但电子泄漏也随之加剧；而通过增厚ZnSe中间层，能够在保障器件中电子注入效率的同时抑制了漏电流的产生(图2)，最终，使得绿色InP基QD-LED性能大幅提升，其峰值EQE高达26.68%、峰值电流效率达 112.56 cd A-¹、最大亮度为 277,000 cd m-²、在1,000 cd m-2初始亮度下T95寿命超过了1,200 h(图 3)。器件亮度、效率、寿命相对于以往领域内前期世界纪录分别提升了1.6、4、100倍。
本研究揭示了绿色InP基QD-LED效率低下的关键原因，并提供了有效的解决方案，同时实现了电子注入提升和电子泄漏抑制，也为高性能QD-LED的设计提供了新思路。
图1：电激发瞬态吸收技术原理图
图2：提高绿色InP基QD-LEDs 中电子浓度的策略
图3：绿色QD-LEDs器件性能
博士研究生卞阳阳和严笑寒为共同第一作者，河南大学申怀彬教授和中国科学技术大学樊逢佳教授、北京交通大学唐爱伟教授、河南大学陈斐博士为共同通讯作者，河南大学为第一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金委-区域创新发展联合基金、国家重点研发计划、河南大学青年科研创新团队等项目支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
申怀彬，教授，国家优秀青年基金获得者。二十年来一直从事II-VI族量子点发光材料及其电致发光器件(QLED)方面研究。近五年以第一/通讯作者在Nature(1篇)，Nat. Photonics(2篇)，Nat. Nanotechnol.(1篇)，Nat. Rev. Electr. Eng.(1篇)，Nat. Commun.(2篇)等期刊发表SCI论文50余篇，获批国家发明专利17件，美国专利1件，技术转让2项。先后主持包括国家重点研发计划，科技创新2030重大项目(课题)，国家自然科学基金委区域联合基金重点项目，国家自然科学基金-优秀青年项目等在内的国家级项目7项。
