與傳統(tǒng)的熱光源相比，盡管發(fā)光二極管(LED)在提供高亮度、高功率轉(zhuǎn)換效率和長壽命的同時所產(chǎn)生的熱量要少得多，但仍足以引起器件失效和加速老化，這是目前所有無機LED都面臨的一個難題。特別是量子點(QD) LED，其組成都是低導(dǎo)熱材料(即聚合物和納米晶體)，熱積累更為嚴(yán)重，發(fā)熱對器件性能（尤其穩(wěn)定性）的影響更為致命。因此，盡可能地降低器件發(fā)熱，最大程度實現(xiàn)“冷發(fā)光”，可從根本上改善器件穩(wěn)定性，是突破QLED應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵。

針對上述難題和瓶頸，河南大學(xué)材料學(xué)院QLED平臺與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)開展合作研究，提出了采用單層大尺寸量子點作為發(fā)光層的新思路，在低驅(qū)動電壓下實現(xiàn)了增強準(zhǔn)費米能級分裂和亮度提高，有效抑制了器件發(fā)熱，使紅色QLED電光能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）達到了23%，在1000 cd/m2下亮度降低到95%（T95）壽命達到了48,000 h。相關(guān)研究成果以Research Article形式[題為Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi level splitting（增加準(zhǔn)費米能級分裂使量子點發(fā)光二極管發(fā)熱最小化）]，2023年7月20日在線發(fā)表在Nature Nanotechnology（https://doi.org/10.1038/s41565-023-01441-z）。

河南大學(xué)為第一通訊單位；實驗室博士生高巖、碩士生劉校楠，中科大博士生李波為共同第一作者；河南大學(xué)申懷彬教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授、河南大學(xué)杜祖亮教授為共同通訊作者。

大尺寸全梯度合金結(jié)構(gòu)量子點合成及超高PCE器件

合成接近100%量子產(chǎn)率的大尺寸量子點具有挑戰(zhàn)性。為了解決這個問題，研究團隊采用了一種不同的策略來合成大尺寸量子點：不同于文獻報道在小尺寸核上生長多層厚殼的方式，團隊選擇在沒有明顯核殼界面的情況下生長量子點(圖1a)。通過兩次注入陰離子前驅(qū)體的方法最終得到量子產(chǎn)率（PL QY）大于95%，平均尺寸為17 nm大尺寸全梯度合金結(jié)構(gòu)量子點（FCG-QD），并合成出熒光PL QY大于90%的10 nm的常規(guī)尺寸量子點?；谏鲜鼍脑O(shè)計的高質(zhì)量量子點材料，研究團隊構(gòu)筑了單量子點發(fā)光層QLED器件。實現(xiàn)了100%和115%帶隙電壓下亮度達到了1100 cd/m2和6000 cd/m2。由于驅(qū)動電壓的降低，器件PCE在1000-6000 cd/m2的亮度范圍內(nèi)可以保持在21%-23%，這是目前所知的最高值。

圖1全梯度合金結(jié)構(gòu)量子點及其QLED器件性能

器件發(fā)熱最小化

單層大尺寸全梯度合金量子點構(gòu)筑的QLED器件實現(xiàn)了低驅(qū)動電壓和增加了低電壓下的EQE并降低了器件的發(fā)熱。通過紅外熱成像儀測試了不同亮度下連續(xù)工作2 h的器件溫度，6000 cd/m2亮度下器件溫度變化在1 ?C，COMSOL建模計算理論器件溫度數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果良好的吻合。

圖2不同亮度下器件溫度

優(yōu)異的器件穩(wěn)定性

本研究在低驅(qū)動電壓下獲得了高亮度器件發(fā)光，同時獲得了超高的功率轉(zhuǎn)換效率、顯著降低了器件發(fā)熱，使器件的穩(wěn)定性得到了極大改善。圖3展示了QLED器件在1000 cd/m2下亮度降低到95%（T95）壽命達到了48,000 h。

圖3QLED器件穩(wěn)定性測試

該研究為有效抑制器件發(fā)熱、研發(fā)高效率高亮度下高穩(wěn)定的QLED器件提供了新策略。

該工作得到國家自然科學(xué)基金委和科技部等項目資助，河南省發(fā)改委在平臺建設(shè)上給予了大力支持。