河南大學納米科學與材料工程學院申懷彬團隊在Nat. Commun. 上發表最新研究成果

量子點發光材料與器件在寬色域、高亮度顯示領域具有廣闊的應用前景。加快相關技術研發，對增強我國電子信息與顯示面板產業競爭力具有重要意義。當前綠光QD-LED在實現超高亮度下，仍難以滿足增強現實（AR）、虛擬現實（VR）及超高清顯示等前沿應用的需求。盡管已有研究通過界面工程、載流子傳輸層優化等手段提升了器件性能，但激子形成速率仍制約著器件亮度與外量子效率（EQE）的進一步提升。

近日，河南大學納米科學與材料工程學院申懷彬團隊與中國科學技術大學樊逢佳團隊合作，在綠光量子點材料與發光器件研究中取得重要突破。該研究成果以“Hole migration enables efficient and ultra-bright green quantum dot LEDs”為題，發表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

與光致發光過程中電子與空穴成對產生不同，電致發光過程中電子與空穴是分別注入量子點的，唯有二者注入同一量子點才能形成激子，因此，激子形成概率強烈依賴于載流子濃度。申懷彬團隊前期采用電激發瞬態吸收（EETA）光譜研究發現，在器件實際工作狀態下，每個量子點內載流子數量極低，導致激子生成概率受限，進而影響器件亮度。如何在低載流子濃度條件下提高激子生成效率，成為提升QD-LED性能的關鍵難題。

針對這一挑戰，申懷彬團隊與中國科學技術大學樊逢佳團隊聯合開展研究，利用蒙特卡羅模型深入分析QD-LED中的載流子注入與激子形成機制。模擬結果顯示，提高載流子在量子點間的擴散比例可顯著增強激子形成概率，尤其在較高注入電流條件下，即使輕微的點間擴散也能大幅提升激子生成效率。基于上述理論設計并構筑了具有大尺寸CdZnSe核與薄層ZnS殼的量子點結構，有效降低空穴限域能力，促進空穴在量子點之間的遷移。進一步通過殼層工程精細調控載流子限域與擴散的平衡，所制備的綠光QD-LED實現了30.7%的EQE（認證效率29.5%），最大亮度突破1.9×106 cd/m2。高效率發光也顯著降低了器件發熱，在1000 cd/m2亮度條件下，器件T95工作壽命長達21,900小時，創下當前綠光QD-LED領域在EQE、最大亮度及工作壽命三項關鍵性能指標上的最高紀錄。

圖1 通過載流子擴散加速量子點發光二極管中的電致發光

圖2 通過限域工程調控量子點薄膜的載流子轉移

圖3 量子點發光二極管的表征

圖4 量子點發光二極管運行穩定性表征

申懷彬，二級教授，國家自然科學基金委青A（原國家杰青）、青B（原國家優青）基金獲得者，享國務院特殊津貼專家，河南省特聘教授/優秀專家，中原科技創新領軍人才。一直從事II-VI和III-V族量子點生長及其電致發光器件（QLED）研究，多次創下QLED亮度、效率、壽命等重要參數國際記錄。以第一或通訊作者在Nature，Nat. Photonics，Nat. Nanotechnol.，Nat. Rev. Electr. Eng.，Nat. Commun.等期刊發表SCI論文100余篇，引用超8000次，H因子51。授權國家發明專利28件，PCT專利1件，技術轉讓2項（7件專利），先后主持國家重點研發計劃，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等8項國家級項目。以第一完成人獲中國光學十大進展1項、河南省自然科學二等獎2項等獎勵，研究成果被人民日報、新華社、中國科學報、河南日報等主流媒體廣泛報道。

來源：河南大學