量子點(diǎn)發(fā)光二極管由于其色域覆蓋廣、溶液加工成本低和低電壓下亮度和效率高的優(yōu)勢(shì)而在顯示應(yīng)用中非常有吸引力，是下一代顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。LED的效率是一個(gè)至關(guān)重要的性能指標(biāo)，而量子點(diǎn)LED的外量子效率受較低的外耦合效率所限制：通常，只有不到30%的光子耦合到空氣中，其余的光子被困在器件內(nèi)部。調(diào)控量子點(diǎn)中躍遷偶極矩取向以增加垂直于器件襯底的光子發(fā)射提供了提高外耦合效率的途徑，這需要將發(fā)光具有方向性的量子點(diǎn)排列起來。這已經(jīng)在各向異性量子點(diǎn)中得到了證明，如納米片，納米棒和具有暴露平面的量子點(diǎn)，其中范德華相互作用被認(rèn)為是主要驅(qū)動(dòng)力。然而，采用這種各向異性量子點(diǎn)的LED的輻射復(fù)合效率較低，因此光子外耦合的增加被內(nèi)量子效率的損失所抵消。需要找到一種可行的偶極取向策略，在平面量子點(diǎn)LED中實(shí)現(xiàn)外耦合效率的提升。
河南大學(xué)申懷彬教授與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授、杜江峰院士等人合作，在量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QD-LED）領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該研究團(tuán)隊(duì)利用混合相 CdZnSeS 量子點(diǎn)中的偶極-偶極相互作用使量子點(diǎn)有效排列，增強(qiáng)了發(fā)光二極管中的光子外耦合。研究成果以“Dipole–dipole-interaction-assisted self-assembly of quantum dots for highly efficient light-emitting diodes”為題，發(fā)表在《Nature Photonics》雜志上（DOI : 10.1038/s41566-023-01344-4）。
中科大博士研究生徐淮豫，河南大學(xué)博士研究生宋姣姣、碩士研究生周鵬豪，中科大博士研究生宋楊為共同第一作者；河南大學(xué)申懷彬教授、中科大杜江峰院士、多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授，中科大樊逢佳教授為共同通訊作者。
圖1. 具有大永久偶極矩的多型晶體結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)的合成
在本項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)出一種新型的多型晶體結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)，使用纖鋅礦CdZnSe核作為結(jié)構(gòu)模板來外延生長(zhǎng)纖鋅礦 ZnS殼層，得到了纖鋅礦與閃鋅礦ZnS共存的多型晶體結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)（圖1）。強(qiáng)離子性的纖鋅礦ZnS提供了排列量子點(diǎn)所需的大電偶極矩；閃鋅礦部分影響電子結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)每個(gè)量子點(diǎn)的取向發(fā)光，兩方面結(jié)合實(shí)現(xiàn)了躍遷偶極矩取向的調(diào)控。
圖2. 多型晶體結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)取向的表征
研究人員使用背焦面成像等手段確認(rèn)了此量子點(diǎn)材料的躍遷偶極矩取向，具有79 %的面內(nèi)偶極矩占比（圖2）。使用該量子點(diǎn)制備的量子點(diǎn)LED表現(xiàn)出超高的效率和穩(wěn)定性（外量子效率35.6%，1000 cd /m-2亮度下T95壽命:40，900小時(shí)， 圖3）。
該研究首次借助偶極-偶極相互作用排列量子點(diǎn)這一策略，在不影響內(nèi)量子效率的情況下提高了外耦合效率，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)LED的效率提升，提高了量子點(diǎn)LED的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，通過選擇合適的材料，這一策略有望拓展到藍(lán)色和綠色量子點(diǎn)LED以及LED以外的其他量子點(diǎn)應(yīng)用中。
圖3. QD-LED器件的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
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、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
Xu, H., Song, J., Zhou, P. et al. Dipole–dipole-interaction-assisted self-assembly of quantum dots for highly efficient light-emitting diodes. Nat. Photon. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01344-4
https://www.nature.com/articles/s41566-023-01344-4
來源：河南大學(xué)材料學(xué)院
