申怀彬、杜祖亮等：低发热高亮度高稳定量子点发光二极管新进展

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与传统的热光源相比，尽管发光二极管(LED)在提供高亮度、高功率转换效率和长寿命的同时所产生的热量要少得多，但仍足以引起器件失效和加速老化，这是目前所有无机LED都面临的一个难题。特别是量子点(QD) LED，其组成都是低导热材料(即聚合物和纳米晶体)，热积累更为严重，发热对器件性能（尤其稳定性）的影响更为致命。因此，尽可能地降低器件发热，最大程度实现“冷发光”，可从根本上改善器件稳定性，是突破QLED应用瓶颈的关键。
        针对上述难题和瓶颈，河南大学材料学院QLED平台与中国科学技术大学开展合作研究，提出了采用单层大尺寸量子点作为发光层的新思路，在低驱动电压下实现了增强准费米能级分裂和亮度提高、有效抑制了器件发热，使红色QLED电光能量转换效率（PCE）达到了23%，在1000 cd/m-2下亮度降低到95%（T95）寿命达到了48,000 h。相关研究成果以Research Article形式[题为Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi level splitting（增加准费米能级分裂使量子点发光二极管发热最小化）]，2023年7月20日在线发表在Nature Nanotechnology（https://doi.org/10.1038/s41565-023-01441-z）.
河南大学为第一通讯单位；实验室博士研究生高岩、中科大博士生李波、研究生刘校楠为共同第一作者；河南大学申怀彬教授、中国科学技术大学樊逢佳教授、河南大学杜祖亮教授为共同通讯作者。

◾大尺寸全梯度合金结构量子点合成及超高PCE器件

        合成接近100%量子产率的大尺寸量子点具有挑战性。为了解决这个问题，研究团队采用了一种不同的策略来合成大尺寸量子点：不同于文献报道在小尺寸核上生长多层厚壳的方式，团队选择在没有明显核壳界面的情况下生长量子点(图1a)。通过两次注入阴离子前驱体的方法最终得到量子产率（PLQY）大于95%，平均尺寸为17nm大尺寸全梯度合金结构量子点（FCG-QD），并合成出荧光PLQY大于90%的10nm的常规尺寸量子点。基于上述精心设计的高质量量子点材料，研究团队构筑了单量子点发光层QLED器件。实现了100%和115%带隙电压下亮度达到了1100 cd/m-2和6000 cd/m-2。由于驱动电压的降低，器件PCE在1000-6000 cd/m-2的亮度范围内可以保持在21%-23%，这是目前所知的最高值。
        为了实验验证每个量子点中电子布局数（<N>E）是否增加，研究团队设计了电致光学探针光谱来原位测量不同偏压下QLED中的电荷浓度，并计算了电子准费米能级，确定了FCG-QD的<N>E和准费米能级分裂程度比常规尺寸QD大。因此，在具有预先存在电子的量子点中注入空穴的概率更高，即在给定的驱动电压下可以获得更高的亮度。
        单层大尺寸全梯度合金量子点构筑的QLED器件实现了低驱动电压和增加了低电压下的EQE并降低了器件的发热。通过红外热成像仪测试了不同亮度下连续工作2 h的器件温度，6000 cd/m-2亮度下器件温度变化在1 ˚C，COMSOL建模计算理论器件温度数据与实验结果良好的吻合。
        ◾优异的器件稳定性
        本研究在低驱动电压下获得了高亮度器件发光，同时获得了超高的功率转换效率、显著降低了器件发热，使器件的稳定性得到了极大改善。展示了QLED器件在1000 cd/m-2下亮度降低到95%（T95）寿命达到了48,000 h。
        ◾绿色和蓝色QLED器件性能
         在该项研究中，验证了大尺寸全梯度合金量子点构筑单层QLED器件的可行性，研究团队将这一概念扩展到了蓝色和绿色QLED。在绿色和蓝色QLED的带隙电压下，绿色和蓝色QLED的亮度分别为~3,100 cd /m-2和260 cd/ m-2，100 cd/m-2下，T95寿命分别达到12,300 h 和 4,600 h。
该研究为有效抑制器件发热、研发高效率高亮度下高稳定的QLED器件提供了新策略。
        该工作得到国家自然科学基金委、科技部等项目资助，河南省发改委在平台建设上给予了大力支持。
        2019年QLED平台在Nature Photonics发文报道了兼具高亮度高效率量子点发光二极管，破解了QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题。本次工作进一步在解决器件寿命问题上给出了创新方案，为发展高亮高效长寿命QLED器件奠定了基础。这些创新成果的取得得益于早期建立的QLED平台。实验室一直注重大大平台建设，坚持“平台建设-人才培养-标志性成果”相统一，面向国家重大需求，设立了新型显示、智能传感、新能源等四个创新平台。
         申怀彬，1981.12，博士，教授，博导，2019年国家优秀青年基金获得者，QLED平台负责人。2005年6月于河南大学获物理学理学学士学位，2011年6月于吉林大学获理学博士学位。一直从事发光量子点材料和量子点电致发光器件（QLED）方面研究，创下了三基色QLED亮度、效率、寿命多项国际纪录。目前共发表SCI论文100余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Photonics，Nat. Nanotechnol.，Nano Lett.，Adv. Funct. Mater.，Laser Photonics Rev等国内外著名杂志上发表70余篇，H-index 41，他引5000余次。主持国家自然科学基金项目5。申请量子点合成及发光显示相关国家专利24项，获批12项，专利技术转化7项。        文章来源：河南大学