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兼具高亮度/高效率和長壽命紅綠藍三基色QLED器件問世

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-16 09:32   來源:中國激光  瀏覽次數:384
   最近,河南大學與中國科學技術大學等單位合作,在可見光量子點發光二極管(QLED)方面取得突破性進展。該工作通過設計合成新型核殼結構量子點,研發了兼具高亮度、高效率和長壽命紅綠藍三基色QLED器件,其中多項性能指標創世界記錄,包括紅綠兩色的亮度(356,000 cd/m2和614,000 cd/m2)和效率(21.6%和22.9%)、藍色的亮度(62,600 cd/m2)以及綠色和藍色器件的壽命(分別為1.7 × 106 h和7000 h)。該研究結果有望加速推進QLED在高亮高效顯示和照明領域應用的進程。
 
  20世紀90年代氮化鎵基高亮度藍光LED的突破,開啟了LED照明和顯示的新時代(三位日本科學家因此貢獻獲得了2014年諾貝爾物理學獎)。基于半導體量子點的QLED,由于具有更好的單色性、色彩飽和度和較低的制備成本等優點,在顯示和照明領域展現出廣闊的應用前景。經過近幾年的快速發展,其發光亮度、外量子效率(EQE)和壽命等主要性能指標都得到了大幅度提升。但在以往的工作中,器件存在高亮度時效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同時保持高效率、且具有長壽命和高穩定性,是QLED領域亟待解決的難題,也是制約其在顯示和照明領域應用的關鍵技術瓶頸。
 
  造成上述“魚與熊掌不可兼得”困境的主要原因在于,通常QLED發光層中量子點價帶能級較深,與空穴傳輸層不匹配,導致空穴注入效率過低,與電子注入不平衡。針對這一難題,研究團隊從發光層量子點的設計入手,基于“低溫成核、高溫長殼”的技術,合成了熒光量子產率高、穩定性強的硒陰離子貫穿的CdSe/ZnSe新型核殼結構量子點(圖1)。這類高質量核殼結構量子點作為發光層,能改善與傳輸層能級的匹配,有效降低空穴注入勢壘,提高載流子的注入效率,克服以往QLED中由于空穴注入不足、電子注入過多所引起的一系列問題,從而大幅度提升器件整體性能。
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圖1 CdSe/ZnSe核殼結構量子點球差電鏡和元素分布
 
  基于這種新結構體系,研究團隊獲得的紅綠藍三色QLED器件的最高亮度和外量子效率,分別達到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%,其紅、綠兩色的亮度和效率以及藍色的亮度都是目前國際上的最高記錄(圖2)。該工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的關鍵難題,首次實現了兼具高亮度高效率的紅綠藍三基色QLED器件。
 
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圖2 紅綠藍三色QLED器件性能
 
  為了更精確地描述新型QLED的發光特性,研究團隊引入了一個新概念——“有效亮度(EFL)”,定義為峰值EQE與其相對應發光強度的乘積。圖3是本工作三色QLED的EFL與文獻已報道工作的比較,可以看到,綠色器件的EFL提高了一倍,紅藍兩色有近量級的提升。而且,從照明對亮度和效率的要求來看,本工作得到的三色QLED都已超過了相應的閾值。
 
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圖3 紅綠藍三色QLED“有效亮度”(EFL)與已有工作比較
 
  器件的穩定性(壽命)是制約其應用的另一個關鍵因素。該工作研發的新型QLED器件在壽命方面也表現出色,紅色和綠色QLED器件的壽命達到1.6× 106 h以上,藍色的壽命達到7000 h以上,其中綠色和藍色器件的壽命也是目前的世界最長紀錄。
 
  這些研究結果以及所建立的器件模型,不僅在原理上展示了QLED在高亮高效顯示與照明領域應用的可能性,也為未來QLED的材料體系設計和器件結構優化提供了新思路。
 
  相關研究成果以
 
  Visible quantum dot light-
 
  emitting diodes with simultaneous high brightness andefficiency為題發表在Nature Photonics [ 2019, 13, 192–197]上。河南大學申懷彬教授為該論文第一作者,河南大學杜祖亮教授、李林松教授和中國科技大學張振宇教授為共同通訊作者。
 
  該工作得到國家自然科學基金委和科技部等部門的資助。
 
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