我院“兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管”成果

入选2019年度“中国光学十大进展”

3月20日，2019年度“中国光学十大进展”评选结果出炉，我院申怀彬教授、李林松教授、杜祖亮教授团队与中国科学技术大学张振宇教授团队的合作成果“兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管”入选基础研究类十大进展。

评委会给出的入选理由是：河南大学申怀彬教授、李林松教授、杜祖亮教授团队与中国科学技术大学张振宇教授团队合作，通过设计合成新型核壳结构量子点，研发了兼具高亮度、高效率和长寿命红绿蓝三基色QLED器件，其中多项性能指标创世界记录，该研究结果有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。

20世纪90年代氮化镓基高亮度蓝光LED的突破，开启了LED照明和显示的新时代（三位日本科学家因此贡献获得了2014年诺贝尔物理学奖）。基于半导体量子点的QLED，由于具有更好的单色性、色彩饱和度和较低的制备成本等优点，在显示和照明领域展现出广阔的应用前景。经过近几年的快速发展，其发光亮度、外量子效率（EQE）和寿命等主要性能指标都得到了大幅度提升。但在以往的工作中，器件存在高亮度时效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域亟待解决的难题，也是制约其在显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。

造成上述“鱼与熊掌不可兼得”困境的主要原因在于，通常QLED发光层中量子点价带能级较深，与空穴传输层不匹配，导致空穴注入效率过低，与电子注入不平衡。针对这一难题，研究团队从发光层量子点的设计入手，基于“低温成核、高温长壳”的技术，合成了荧光量子产率高、稳定性强的硒阴离子贯穿的CdSe/ZnSe新型核壳结构量子点（图1）。这类高质量核壳结构量子点作为发光层，能改善与传输层能级的匹配，有效降低空穴注入势垒，提高载流子的注入效率，克服以往QLED中由于空穴注入不足、电子注入过多所引起的一系列问题，从而大幅度提升器件整体性能。

图1 CdSe/ZnSe核壳结构量子点球差电镜和元素分布

基于这种新结构体系，研究团队获得的红绿蓝三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其红、绿两色的亮度和效率以及蓝色的亮度都是目前国际上的最高记录（图2）。该工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝三基色QLED器件。

图2 红绿蓝三色QLED器件性能

为了更精确地描述新型QLED的发光特性，研究团队引入了一个新概念——“有效亮度（EFL）”，定义为峰值EQE与其相对应发光强度的乘积。图3是本工作三色QLED的EFL与文献已报道工作的比较，可以看到，绿色器件的EFL提高了一倍，红蓝两色有近量级的提升。而且，从照明对亮度和效率的要求来看，本工作得到的三色QLED都已超过了相应的阈值。

图3 红绿蓝三色QLED“有效亮度”(EFL)与已有工作比较

器件的稳定性（寿命）是制约其应用的另一个关键因素。该工作研发的新型QLED器件在寿命方面也表现出色，红色和绿色QLED器件的寿命达到1.6×106 h以上，蓝色的寿命达到7000 h以上，其中绿色和蓝色器件的寿命也是目前的世界最长纪录。

这些研究结果以及所建立的器件模型，不仅在原理上展示了QLED在高亮高效显示与照明领域应用的可能性，也为未来QLED的材料体系设计和器件结构优化提供了新思路。

相关研究成果以Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency为题发表在Nature Photonics, 2019, 13, 192–197上（全文链接：https://doi.org/10.1038/s41566 -019-0364-z）。河南大学杜祖亮教授、李林松教授和中国科技大学张振宇教授为共同通讯作者。该论文第一作者申怀彬教授2019年获得国家自然科学金优秀青年基金项目资助。

“中国光学十大进展”是由中国光学学会主办的《中国激光》杂志社发起，每年评选一次。参选的成果来自全国各大高校及中科院各个研究机构，在基础研究和应用研究中分别选择10项代表国内光学领域最重要的前沿研究成果授奖。该评选活动自2005年发起以来，由于成果本身突出的学术水平，以及评审专家的严格公正，该奖项被学术界广泛认可。

2019年度“中国光学十大进展”（第十五届）评选，经过首轮推荐、初评、终评三个环节，最终20项优秀的光学成果从110项研究进展中脱颖而出而入选（基础研究类与应用研究类各10项）。评选委员会由48位光学与光子学领域的专家组成，综合考虑候选成果的学术价值和应用价值，从候选成果中初评30项进入终评，并以无记名投票方式产生最终获奖成果。

科学网链接：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/3/437223.shtm。

附：2019中国光学十大进展（基础研究类）获奖目录

北京大学：微腔表面对称破缺诱导非线性光学（Nature Photonics, 13, 21–24 (2019)）

深圳大学：近场光学旋涡中的光学斯格明子结构（Nature Physics, 15, 650–654 (2019)）

浙江大学：首个三维光学拓扑绝缘体（Nature, 565, 622–626 (2019)）

华中科技大学：高效稳定非铅卤化物双钙钛矿暖白光（Nature, 563, 541–545 (2018)）

河南大学：兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管（Nature Photonics, 13, 192-197 (2019)）

复旦大学：双层三碘化铬中由层间反铁磁诱导的非互易二次谐波（Nature, 572, 497–512 (2018)

中科院上海光机所：首次利用台式化高重频飞秒激光器驱动千特斯拉强磁场自组织放大（Physical Review Letters, 121, 255002 (2018)）

中山大学：关键量子信息器件——“三高”量子纠缠光源研究（Nature Nanotechnology, 14, 586–593 (2019)）

西安交通大学：压缩超快时间光谱成像术创造超快成像新纪录（Physical review letters, 122, 193904 (2019)）

南京大学：光的波粒二象性的可控量子叠加（Nature Photonics, 13, 872–877 (2019)）