近日，浙江大學(xué)金一政課題組、王林軍課題組與華南理工大學(xué)黃飛/應(yīng)磊團(tuán)隊(duì)合作，在高性能藍(lán)、綠光量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）的開(kāi)發(fā)上取得進(jìn)展。研究者揭示了無(wú)機(jī)量子點(diǎn)/有機(jī)高分子界面的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，繼而通過(guò)調(diào)控高分子空穴傳輸材料的分子結(jié)構(gòu)，有效地抑制了器件的載流子泄漏，從而同時(shí)創(chuàng)造了藍(lán)、綠光QLED的效率/壽命新紀(jì)錄，尤其是綠光QLED的性能已經(jīng)滿足顯示業(yè)界的應(yīng)用需求。
QLED是一種以膠體量子點(diǎn)材料作為發(fā)光中心、可通過(guò)溶液工藝制備的電致發(fā)光器件，是下一代低成本、低能耗、廣色域大屏顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。顯示應(yīng)用需要紅、綠、藍(lán)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(biāo)已滿足產(chǎn)業(yè)化要求，但藍(lán)、綠光QLED的性能仍低于應(yīng)用需求。針對(duì)該瓶頸問(wèn)題，研究者應(yīng)用納晶科技公司的高性能CdSe基量子點(diǎn)為模型系統(tǒng)，開(kāi)展了機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)：有機(jī)空穴傳輸材料能級(jí)的能量無(wú)序會(huì)顯著增強(qiáng)量子點(diǎn)/有機(jī)空穴傳輸層界面的電子泄漏，是造成藍(lán)、綠光QLED效率損失的關(guān)鍵通道。具體地，相比于無(wú)機(jī)晶體量子點(diǎn)，有機(jī)無(wú)定形聚合物薄膜具有顯著的結(jié)構(gòu)無(wú)序度與較強(qiáng)的電-聲子耦合作用，導(dǎo)致了較多的帶尾態(tài)分布與較大的能級(jí)展寬。此外，單顆量子點(diǎn)的尺寸（約10 nm）遠(yuǎn)大于有機(jī)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(jié)合QLED的光譜表征與界面電子轉(zhuǎn)移的非絕熱動(dòng)力學(xué)模擬，確證上述效應(yīng)顯著增強(qiáng)了界面電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致器件中的漏電流。
圖1 藍(lán)、綠光QLED的界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制
在明晰了上述關(guān)鍵機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和銷售），并通過(guò)合成方法的調(diào)控實(shí)現(xiàn)了高分子量。該材料與傳統(tǒng)聚合物傳輸層相比，具有更淺的LUMO能級(jí)與更小的能量無(wú)序，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的電子阻擋能力。最終，利用此空穴傳輸材料，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了高性能藍(lán)、綠光QLED原型器件，最高外量子效率分別達(dá)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(lán)、綠光QLED分別實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)4400小時(shí)與58萬(wàn)小時(shí)的工作壽命（100尼特下亮度衰減95%），均是目前報(bào)道過(guò)的QLED最高值。
該研究為QLED器件的材料設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的新策略，實(shí)現(xiàn)了性能滿足顯示應(yīng)用需求的綠光QLED原型器件，有望推動(dòng)量子點(diǎn)印刷顯示技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
圖2 高性能綠光、藍(lán)光量子點(diǎn)發(fā)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(fā)表于Nature Photonics（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-022-00999-9）。浙江大學(xué)鄧云洲博士、博士生陸遙、博士生朱希童和華南理工大學(xué)彭灃博士為本文共同第一作者。浙江大學(xué)金一政教授、王林軍研究員和華南理工大學(xué)黃飛教授、應(yīng)磊教授為本文共同通訊作者。參與的合作者還有浙江大學(xué)狄大衛(wèi)教授、上海交通大學(xué)劉烽教授、浙江工業(yè)大學(xué)孫土來(lái)博士等。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金、面上項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
