近日，南方科技大学电子与电气工程系陈树明教授团队在量子点发光二极管（QLED）的电子输运机理、高效率长寿命叠层 QLED 研究方面取得新进展。相关成果分别发表在《自然-通讯》（Nature Communications）和《纳米快报》（Nano Letters）上。

《自然-通讯》：引入单光子计数，揭示 QLED 与电子泄漏行为间联系

在 QLED 器件机理方面，陈树明团队创新性引入单光子计数（SPC）、电激发－光激发（EL-PL）联合测试等技术追踪电子在 QLED 中的输运路径，揭示 QLED 稳定性差、性能衰减与电子泄漏行为之间的内在联系。

作为一种电光转换器件，QLED 消耗电子并将其转化为光子。如果所有注入QLED 的电子都在量子点内被转化为光子，则可以实现100%的量子转换效率。然而，并非注入的所有电子都能转换为光子，这些未在量子内复合并辐射光子的电子被称为泄漏电子，它们将能量最终以焦耳热的形式耗散，降低了器件的效率和寿命。泄漏电子为何不能在量子点内部复合？它们在 QLED 内部究竟是如何输运的？这些基本问题目前尚不清楚，限制了 QLED 性能的提升。泄漏电子经过的路径，一定会留下蛛丝马迹。如泄漏电子经过载流子传输层时，可能会在载流子传输层上复合，产生微弱的荧光信号。通过监测不同功能层产生的荧光信号，可以反过来追踪泄漏电子的输运路径。但是，由于泄漏电子产生的荧光信号极其微弱，目前的表征手段和测量方法并不能准确捕捉到这些极弱的信号。

鉴于此，本项研究开发了一套基于 EL-PL 联合测试技术和 SPC 技术的新型表征方法。EL-PL 联合测试技术，可监测加电状态工况条件下量子点的本质发光，并可表征泄漏电子对 QLED 性能的影响；而 SPC 技术，可追踪到非常微弱的、由泄漏电子产生的荧光信号。最终，该研究成功追踪到泄漏电子的输运行为，并精确地描绘出 QLED 内的电子在不同驱动电压下的输运路径。结果表明，QLED 在小电流和大电流驱动条件下，电子向传输层泄漏，以及发生界面复合泄漏，均是造成 QLED 性能衰减的重要因素。本项研究对电子输运行为的明确揭示不仅加深了研究者对 QLED 工作机制的理解，也为长寿命、低功耗、高亮度 QLED 的实现提供了新的思路。

图1 QLED 中 EL-PL 联合测试原理和结果

图1为团队所开发的 EL-PL 联合测试系统的测试原理图以及表征结果，该系统的最大优势是可同时监测器件的 EL 及量子点的 PL 情况。如图1b-d所示，在小电流驱动（图1c）及大电流驱动（图1d）的条件下，QLED 分别呈现出较低的 EL 及迅速下降的 EL，然而，量子点 PL 仍保持在较高的强度，证明 EL 的变化不是量子点本身发光行为的变为而引起，而是部分注入的电子没有在量子点内部辐射复合。电子在 QLED 内部存在着不同的输运路径，从而影响器件的发光性能。

图2 QLED 中的电子输运路径

本研究通过分析了解到，QLED 中的电子可以通过五种可能路径进行输运。如图2所示，分别为：路径1：带隙间泄漏（inter-band leakage）；路径2：QD内辐射复合（radiative recombination）；路径3：QD内非辐射复合（non-radiative recombination）；路径4：从复合区溢出泄漏（overflow leakage）至空穴传输层（HTL）；路径5：界面复合（interfacial recombination）。

图3 基于 SPC 技术的弱光探测系统原理图以及利用 SPC 技术追踪电子向 TFB 的泄漏

为了证明上述提出的电子输运路径的模型，本研究开发了新型极弱光探测系统，利用 SPC 技术来追踪电子在不同的输运路径所留下的荧光信号。如图3a所示，单光子计数器集成光栅单色仪后，不仅可以捕捉到极其微弱的光信号（图3b），还能按需实现单波长探测（图3b-d）。本研究利用 SPC 技术成功追踪到 QLED 在不同电压驱动区间，电子向 TFB 泄漏而产生的荧光信号（如图3所示）。研究结果表明：电子向 TFB 的泄漏存在于 QLED 工作的整个电压驱动区间，它导致了器件在小电压驱动下（如启亮附近）效率极低，而在大电压驱动下，效率迅速衰减。

图4 利用 SPC 技术追踪电子通过界面复合的泄漏

同时，研究人员利用 SPC 技术，还成功追踪到蓝光 QLED 在不同驱动电压区间，电子通过界面复合泄漏而产生的荧光信号。图4中620 nm附近的发光信号即来自于 TFB/QD 界面处的复合发光。

图5 抑制 QLED 中的电子泄漏

综上所述，本研究提出可通过提升空穴注入来抑制电子泄漏，大幅提升了QLED 在小电流驱动条件下的发光效率，展示了能量转化效率超过98%的高性能 QLED（如图5所示）。

该研究以 “Tracing the electron transport behavior in quantum-dot light-emitting diodes via single photon counting technique” 为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。论文第一作者为南科大博士研究生苏强（目前任大湾区大学助理教授），第二作者为2022级博士研究生陈子楠，通讯作者为陈树明，南科大为论文唯一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目、深圳市基础研究项目等的资助。

《纳米快报》：研发高效叠层 QLED，实现创纪录新性能

在高效率长寿命叠层 QLED 方面，陈树明课题组研发了基于氧化铟锌（IZO）中间连接层（ICL）的稳定且高效的叠层 QLED，实现了外量子效率超过49%，1000尼特初始亮度下T95寿命超过50000小时的创记录性能。

图6 叠层 QLED 的电学性能优化

图6a是该团队所研发叠层 QLED 的能级示意图。在电学方面，通过在 ICL中引 入IZO 桥接层，可以极大地降低电子的注入势垒。此外，采用导电性更好的 ZnMgO 电子传输层，进一步促进了电子的隧穿。这些都极大地提升了 ICL 的电学性能，有利于电荷在 ICL 中产生，并注入到上下两个子发光单元中，从而实现两个发光单元完美的无损电学连接。

图7 叠层 QLED 的光学性能优化

在光学方面，如图7所示，通过采用顶发射结构并对叠层 QLED 进行光学仿真，协同调节器件中电极和功能层的厚度，可以使上下两个发光单元均处于相干干涉位置，从而实现最大出光效率，其 EQE/γ 值达到31.87%。

图8 叠层 QLED 的器件性能

优化后的红光叠层 QLED，如图8所示，其 EQE 超过49%，在1,000 cd/m²亮度下的T₉₅寿命超过50,000小时，是目前最高效且最稳定的 QLED。该研究提出的叠层结构及其研究方法，充分挖掘了叠层 QLED 的优势，为应用于显示领域稳定且高效的 QLED 的开发提供了重要的支持。

该研究以 “Very Stable and Efficient Tandem Quantum-Dot Light-Emitting Diodes Enabled by IZO-Based Interconnecting Layers” 为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上，博士研究生袁翠霞为论文第一作者，陈树明为论文通讯作者，南科大为论文唯一通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究项目等的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52521-0  

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02021  

供稿：电子与电气工程系

通讯员：余雅曦

主图：丘妍

编辑：曾昱雯