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河南大學(xué)綠色I(xiàn)nP基 QD-LED材料與器件領(lǐng)域取得重大突破

河南大學(xué) 2024-11-25
2024年11月21日,河南大學(xué)納米科學(xué)與材料工程學(xué)院申懷彬教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院樊逢佳教授等在量子點領(lǐng)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(fā)表(DOI: 10.1038/s41586-024-08197-z),標(biāo)志著無毒量子點LED技術(shù)取得重要進(jìn)展。這是河南大學(xué)首次作為第一單位在《自然》期刊發(fā)表研究成果。
 
  LED顯示照明是我國的支柱半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),加快新型顯示照明LED研究,對于增強(qiáng)我國的產(chǎn)業(yè)競爭,有重要的意義?;跓晒饬孔狱c的電致發(fā)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(yōu)勢,有望在超高清顯示屏和高端照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,已經(jīng)成為世界各國競相爭奪的下一代主流發(fā)光顯示技術(shù)制高點之一。InP基量子點電致發(fā)光器件更是由于其環(huán)境友好的特點備受產(chǎn)業(yè)界青睞。相較于紅色和藍(lán)色器件,三基色之一的綠色I(xiàn)nP基QD-LED的效率和壽命成為制約全彩QD-LED商業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵瓶頸。
 
  為解決這一問題,河南大學(xué)申懷彬教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的樊逢佳教授等人再次合作,在揭示器件電子輸運機(jī)制的基礎(chǔ)上,提出并發(fā)展了新型大尺寸、高量子產(chǎn)率InP/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點的合成和結(jié)構(gòu)調(diào)控方法,通過厚ZnSe中間殼層的包覆,同時實現(xiàn)了電子注入提升和電子泄漏抑制,成功構(gòu)筑了峰值外量子效率(EQE)達(dá)到26.68%,亮度達(dá)到270,000 cd m-2,1,000 cd m-2初始亮度下T95壽命長達(dá)1,241 h的綠色I(xiàn)nP基QD-LED,刷新了世界紀(jì)錄。
 
  研究團(tuán)隊通過自主研發(fā)的電激發(fā)瞬態(tài)吸收(EETA)技術(shù)分析了QD-LED的電子傳輸特征。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)前基于綠色I(xiàn)nP/ZnSeS/ZnS量子點的QD-LED,由于存在較高的電子注入勢壘,發(fā)光層中電子濃度嚴(yán)重不足,無法填充缺陷(圖1)。為此,團(tuán)隊設(shè)計了兩步關(guān)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(jié)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??;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(chǎn)生(圖2),最終,使得綠色I(xiàn)nP基QD-LED性能大幅提升,其峰值EQE高達(dá)26.68%、峰值電流效率達(dá) 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(lǐng)域內(nèi)前期世界紀(jì)錄分別提升了1.6、4、100倍。
 
  本研究揭示了綠色I(xiàn)nP基QD-LED效率低下的關(guān)鍵原因,并提供了有效的解決方案,同時實現(xiàn)了電子注入提升和電子泄漏抑制,也為高性能QD-LED的設(shè)計提供了新思路。
 
圖1:電激發(fā)瞬態(tài)吸收技術(shù)原理圖
 
圖2:提高綠色I(xiàn)nP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(yán)笑寒為共同第一作者,河南大學(xué)申懷彬教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授、北京交通大學(xué)唐愛偉教授、河南大學(xué)陳斐博士為共同通訊作者,河南大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委-區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金、國家重點研發(fā)計劃、河南大學(xué)青年科研創(chuàng)新團(tuán)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(yōu)秀青年基金獲得者。二十年來一直從事II-VI族量子點發(fā)光材料及其電致發(fā)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(fā)表SCI論文50余篇,獲批國家發(fā)明專利17件,美國專利1件,技術(shù)轉(zhuǎn)讓2項。先后主持包括國家重點研發(fā)計劃,科技創(chuàng)新2030重大項目(課題),國家自然科學(xué)基金委區(qū)域聯(lián)合基金重點項目,國家自然科學(xué)基金-優(yōu)秀青年項目等在內(nèi)的國家級項目7項。
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