近日，浙江大學金一政課題組、王林軍課題組與華南理工大學黃飛/應磊團隊合作，在高性能藍、綠光量子點發光二極管（QLED）的開發上取得進展。研究者揭示了無機量子點/有機高分子界面的電荷轉移機制，繼而通過調控高分子空穴傳輸材料的分子結構，有效地抑制了器件的載流子泄漏，從而同時創造了藍、綠光QLED的效率/壽命新紀錄，尤其是綠光QLED的性能已經滿足顯示業界的應用需求。
QLED是一種以膠體量子點材料作為發光中心、可通過溶液工藝制備的電致發光器件，是下一代低成本、低能耗、廣色域大屏顯示技術的有力競爭者。顯示應用需要紅、綠、藍三色器件。目前，紅光QLED原型器件的效率、工作壽命等性能指標已滿足產業化要求，但藍、綠光QLED的性能仍低于應用需求。針對該瓶頸問題，研究者應用納晶科技公司的高性能CdSe基量子點為模型系統，開展了機制研究，發現：有機空穴傳輸材料能級的能量無序會顯著增強量子點/有機空穴傳輸層界面的電子泄漏，是造成藍、綠光QLED效率損失的關鍵通道。具體地，相比于無機晶體量子點，有機無定形聚合物薄膜具有顯著的結構無序度與較強的電-聲子耦合作用，導致了較多的帶尾態分布與較大的能級展寬。此外，單顆量子點的尺寸（約10 nm）遠大于有機聚合物單元（約1~2 nm），形成了單給體-多受體的特殊界面。研究者結合QLED的光譜表征與界面電子轉移的非絕熱動力學模擬，確證上述效應顯著增強了界面電子轉移，導致器件中的漏電流。
圖1 藍、綠光QLED的界面電荷轉移機制
在明晰了上述關鍵機制的基礎上，研究團隊設計并合成了系列基于剛性共聚單元的咔唑-芴交替共聚聚合物（PF8Cz，已在東莞伏安光電科技有限公司實現生產和銷售），并通過合成方法的調控實現了高分子量。該材料與傳統聚合物傳輸層相比，具有更淺的LUMO能級與更小的能量無序，因而表現出優異的電子阻擋能力。最終，利用此空穴傳輸材料，研究團隊構筑了高性能藍、綠光QLED原型器件，最高外量子效率分別達21.9%與28.7%，且高效率窗口覆蓋了從顯示到通用照明的亮度范圍。藍、綠光QLED分別實現了長達4400小時與58萬小時的工作壽命（100尼特下亮度衰減95%），均是目前報道過的QLED最高值。
該研究為QLED器件的材料設計提供了關鍵的新策略，實現了性能滿足顯示應用需求的綠光QLED原型器件，有望推動量子點印刷顯示技術的實用化進程。
圖2 高性能綠光、藍光量子點發光二極管
該成果近日以“Solution-processed green and blue quantum-dot light-emitting diodes with eliminated charge leakage”為題發表于Nature Photonics（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00999-9）。浙江大學鄧云洲博士、博士生陸遙、博士生朱希童和華南理工大學彭灃博士為本文共同第一作者。浙江大學金一政教授、王林軍研究員和華南理工大學黃飛教授、應磊教授為本文共同通訊作者。參與的合作者還有浙江大學狄大衛教授、上海交通大學劉烽教授、浙江工業大學孫土來博士等。該研究獲得國家自然科學基金委重大研究計劃集成項目、優秀青年科學基金、面上項目和科技部重點研發計劃等項目的支持。
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