量子點發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勢而在顯示應用中非常有吸引力，是下一代顯示技術的有力競爭者。LED的效率是一個至關重要的性能指標，而量子點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部。調控量子點中躍遷偶極矩取向以增加垂直于器件襯底的光子發射提供了提高外耦合效率的途徑，這需要將發光具有方向性的量子點排列起來。這已經在各向異性量子點中得到了證明，如納米片，納米棒和具有暴露平面的量子點，其中范德華相互作用被認為是主要驅動力。然而，采用這種各向異性量子點的LED的輻射復合效率較低，因此光子外耦合的增加被內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LED中實現外耦合效率的提升。

河南大學申懷彬教授與中國科學技術大學樊逢佳教授、杜江峰院士等人合作，在量子點發光二極管（QD-LED）領域取得重要進展。該研究團隊利用混合相 CdZnSeS 量子點中的偶極-偶極相互作用使量子點有效排列，增強了發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；河南大學申懷彬教授、中科大杜江峰院士、多倫多大學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構量子點的合成

在本項研究中，研究人員開發出一種新型的多型晶體結構的量子點，使用纖鋅礦CdZnSe核作為結構模板來外延生長纖鋅礦 ZnS殼層，得到了纖鋅礦與閃鋅礦ZnS共存的多型晶體結構量子點（圖1）。強離子性的纖鋅礦ZnS提供了排列量子點所需的大電偶極矩；閃鋅礦部分影響電子結構，從而促進每個量子點的取向發光，兩方面結合實現了躍遷偶極矩取向的調控。

圖2. 多型晶體結構量子點取向的表征

研究人員使用背焦面成像等手段確認了此量子點材料的躍遷偶極矩取向，具有79 %的面內偶極矩占比（圖2）。使用該量子點制備的量子點LED表現出超高的效率和穩定性（外量子效率35.6%，1000 cd /m-2亮度下T95壽命:40，900小時， 圖3）。

該研究首次借助偶極-偶極相互作用排列量子點這一策略，在不影響內量子效率的情況下提高了外耦合效率，實現了量子點LED的效率提升，提高了量子點LED的技術優勢及競爭力。同時，通過選擇合適的材料，這一策略有望拓展到藍色和綠色量子點LED以及LED以外的其他量子點應用中。

圖3. QD-LED器件的仿真與實驗結果

該研究得到了國家自然科學基金委-區域創新發展聯合基金、科技部重點研發計劃等項目支持。

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：河南大學材料學院