近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授陳樹明課題組在量子點發(fā)光二極管（QLED）領(lǐng)域取得系列進展，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications、Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews 及 Advanced Materials 上。
在器件驅(qū)動方面，提出一種即插即用（PnP, plug-and-play）的QLED結(jié)構(gòu)，PnP-QLED不需要借助任何驅(qū)動電路，可以直接被220 V/50 Hz家用交流電驅(qū)動發(fā)光，相關(guān)研究以“Household alternating current electricity plug-and-play quantum-dot light-emitting diodes”為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications），以及“220 V/50 Hz compatible bipolar quantum-dot light-emitting diodes”為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）。
在器件結(jié)構(gòu)方面，提出一種新型的頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了外量子效率創(chuàng)紀(jì)錄（44.5%）的高效頂發(fā)光QLED，相關(guān)工作以“Highly efficient top-emitting quantum-dot light-emitting diodes with record-breaking external quantum efficiency of over 44.5%” 為題發(fā)表在《激光&光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）。
在器件機制方面，揭示了過剩電子對藍(lán)光QLED的破壞作用，相關(guān)研究以“Electron‐induced degradation in blue quantum‐dot light‐emitting diodes”為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）。
QLED由于具有發(fā)光色彩可調(diào)、色純度高、制備成本低等優(yōu)點，在下一代柔性、印刷顯示及固態(tài)照明領(lǐng)域具有重大的潛在應(yīng)用前景�；趐-n二極管結(jié)構(gòu)的QLED，通常只能工作在直流電流（DC）下。
因此，為了驅(qū)動QLED，必須使用電源適配器或驅(qū)動電路，把220 V/50 Hz的家用交流電，通過降壓、整流等步驟轉(zhuǎn)變成低壓直流電；另外，還需借助DC-DC電流調(diào)節(jié)電路，以調(diào)節(jié)QLED的亮度。驅(qū)動電路的使用，增加了QLED燈具的復(fù)雜性、成本及功耗；其次，QLED長期工作在DC下，器件內(nèi)部容易積累電荷，降低器件的運行壽命。
針對上述問題，陳樹明課題組開發(fā)出一種由多個疊層QLED串聯(lián)集成的PnP-QLED。所提出的PnP-QLED可以直接使用220 V/50 Hz家用交流電驅(qū)動，同時還具有高效率、高亮度、長壽命的優(yōu)點，有望促進QLED在低成本、高性能固態(tài)照明光源上的應(yīng)用。
如圖1a所示，一個疊層QLED是由底部器件B-QLED和頂部器件T-QLED垂直堆疊而成，并共享中間的透明導(dǎo)電氧化銦鋅（IZO）電極。通過不同的電極連接方式，B-QLED和T-QLED可實現(xiàn)串聯(lián)連接或并聯(lián)連接。當(dāng)處于串聯(lián)連接時，該疊層QLED可工作在普通的直流模式下；當(dāng)處于并聯(lián)連接時（把中間IZO電極引出，頂部電極Al和底部電極ITO短接），該疊層QLED可工作于交流模式下，由于此時B-QLED和T-QLED的極性相反，因此在交流電源驅(qū)動下，B-QLED和T-QLED將交替輪流發(fā)光，如圖1b所示。與文獻報道的交流電致發(fā)光器件相比，該交流疊層QLED具有以下優(yōu)點：（1）持續(xù)發(fā)光。
在交流電的驅(qū)動下，B-QLED和T-QLED交替發(fā)光，因此，在整個交流電的周期，該疊層QLED能夠持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)光。（2）高效率、長壽命。B-QLED和T-QLED本質(zhì)上都是工作于DC模式下，因此該交流疊層QLED具有和直流QLED類似的高效率和高亮度；此外，由于在交流電驅(qū)動下，B-QLED和T-QLED都會被施加半個周期的負(fù)偏置，積累在器件內(nèi)部的空間電荷被有效釋放，使該交流疊層QLED的壽命得以提升。（3）寬頻兼容。
該疊層QLED本質(zhì)上由直流QLED組成，其頻響取決于QLED的響應(yīng)速度，可兼容Hz ~ MHz的交流電頻率。基于以上優(yōu)點，該疊層QLED是實現(xiàn)交流電直驅(qū)、即插即用固態(tài)光源的最佳候選者。
圖 1：(a) 疊層QLED結(jié)構(gòu)及直流和交流驅(qū)動模式示意圖；(b) 不同驅(qū)動條件下，疊層QLED的發(fā)光圖像
為使所提出的疊層QLED可直接被220 V的家用高壓交流電驅(qū)動，此研究進一步將多個疊層QLED串聯(lián)連接，從而增加器件陣列的驅(qū)動電壓，使得到的照明面板可直接接入到220 V/50 Hz的家用交流電上。
如圖2a所示，一個即插即用QLED（PnP-QLED）包含兩個疊層QLED，通過中間的IZO電極串聯(lián)連接。如圖2b所示，該PnP-QLED在整個交流電驅(qū)動過程中，能持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)光，提高了光源的穩(wěn)定性和可靠性。另外，在交流電驅(qū)動下，PnP-QLED的運行壽命是直流驅(qū)動QLED的1.5倍。這些結(jié)果證實PnP-QLED能夠同時實現(xiàn)高效率以及長壽命。
圖 2 ：(a) PnP-QLED 器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) PnP-QLED正向和反向驅(qū)動電壓電路示意圖及發(fā)光圖像；(c) S-QLED和PnP-QLED的PE-L特征曲線
此研究將PnP-QLED作為基本的構(gòu)建模塊，通過串聯(lián)連接不同數(shù)量的PnP-QLED，實現(xiàn)可以直接工作在不同交流電壓的(PnP-QLED)n光源，如圖3a所示。例如，通過集成30個PnP-QLED，所得到的(PnP-QLED)30 可以直接接入220 V/50 Hz家用交流電，并持續(xù)發(fā)出穩(wěn)定的紅光、黃光和白光，如圖3d和視頻所示。
此外，為了降低交流驅(qū)動引起的頻閃問題，此研究還進一步將兩個(PnP-QLED)30并聯(lián)連接，并調(diào)整其中一個(PnP-QLED)30的交流電輸入的相位差，使得到的光源產(chǎn)生穩(wěn)定的光輸出，有效的抑制頻閃，如圖3f所示。該工作為家用交流電直驅(qū)照明光源的實現(xiàn)提供了一種新的技術(shù)途徑。相關(guān)技術(shù)已申請發(fā)明專利（申請?zhí)?02410116639X）。
該研究的第一作者為陳樹明課題組2021級博士生王基銘，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、深圳市基礎(chǔ)研究項目的資助。
圖 3：(a) (PnP-QLED)n的等效電路圖；(b) (PnP-QLED)n在220 V交流電驅(qū)動下的PE-n特征曲線；(c) (PnP-QLED)30 的PE-VRMS特征曲線；(d) (PnP-QLED)30在不同交流電壓驅(qū)動下的發(fā)光光學(xué)圖像；(e) 220 V/50 Hz家用交流電驅(qū)動下的紅光、黃光和白光的(PnP-QLED)30的發(fā)光光學(xué)圖像；(f) (PnP-QLED)30在220 V/50 Hz家用交流電驅(qū)動下的瞬態(tài)電致發(fā)光
除此之外，陳樹明課題組在家用交流電直驅(qū)QLED的結(jié)構(gòu)開發(fā)上持續(xù)創(chuàng)新。提出了共面電極的QLED結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了新的家用交流電直驅(qū)QLED。相關(guān)研究以“220 V/50 Hz compatible bipolar quantum-dot light-emitting diodes”為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）。
此研究通過Al電極橋接，將正置結(jié)構(gòu)的QLED和倒置結(jié)構(gòu)的QLED水平連接成串聯(lián)器件，得到的器件（CEB-QLED）具有驅(qū)動電極共面的特點，如圖4所示。這種新型CEB-QLED可以在正偏壓或負(fù)偏壓下運行，并且表現(xiàn)出了出色的外量子效率和亮度。此外，通過使用Ag橋接層，進一步提高了CEB-QLED的亮度，實現(xiàn)了22.2%的外量子效率和16370 cd/m2的高亮度，這一性能表現(xiàn)創(chuàng)下了雙極性器件的最佳水平。
同時，該工作通過將多個CEB-QLED串聯(lián)連接，也實現(xiàn)了由220 V/50 Hz的家用交流電直接驅(qū)動的光源，無需額外的驅(qū)動電路。
該研究的第一作者為陳樹明課題組2018級博士生張恒（已畢業(yè)，現(xiàn)為廣西大學(xué)副教授），通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、深圳市基礎(chǔ)研究項目的資助。
圖 4：CEB-QLED的 (a) 原理示意圖以及 (b) 等效電路圖；(c) CEB-QLED的電學(xué)性能；(d) (CEB-QLED)n 的制備流程圖以及等效電路圖；(e) 220 V/50 Hz家用交流電直接驅(qū)動 (CEB-QLED)n的示意圖以及發(fā)光光學(xué)圖像
在器件結(jié)構(gòu)上，陳樹明課題組近期提出了一種新型的頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，刷新了器件的出光效率，相關(guān)工作以“Highly efficient top-emitting quantum-dot light-emitting diodes with record-breaking external quantum efficiency of over 44.5%” 為題發(fā)表在《激光&光子學(xué)評論》（Laser & Photonics Reviews）。
傳統(tǒng)的底發(fā)射QLED的出光效率較低，因為器件發(fā)射的光子需要通過透明襯底（玻璃）向空氣發(fā)射，由于玻璃襯底和空氣之間的折射率差異較大，一些光子在玻璃/空氣界面處會發(fā)生全內(nèi)反射，從而被襯底所波導(dǎo)，降低了器件出光效率。雖然許多光提取結(jié)構(gòu)如微透鏡，可以用來提取襯底波導(dǎo)光，但是這些結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致像素模糊或引起角度依賴性發(fā)光，因此不適用于高分辨率顯示。
為此，該研究通過在頂發(fā)射QLED的結(jié)構(gòu)中引入雙IZO相位調(diào)諧層，并優(yōu)化其厚度使得QLED的出光耦合效率突破45%。通過進一步在頂部IZO電極上配備金屬輔助電極，顯著的提升了QLED的電流密度和功率效率。此外還通過在器件上旋涂SiO2納米散射層，有效提取了器件中的波導(dǎo)光，最終實現(xiàn)了效率創(chuàng)紀(jì)錄的頂發(fā)射QLED，其外量子效率高達44.5%。頂發(fā)射器件結(jié)構(gòu)和優(yōu)化策略為高效QLED的實現(xiàn)提供了新的方案。
該研究的第一作者為陳樹明課題組2021級碩士生李浩濤，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、深圳市基礎(chǔ)研究項目的資助。
 
圖 5：(a) 底發(fā)射（BE-QLED）和頂發(fā)射（TE-QLED）器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)不同結(jié)構(gòu)器件的出光耦合效率；(c)不同器件結(jié)構(gòu)在626 nm 波長處的功率耗散譜；(d)在不同底部IZO和頂部IZO厚度下的器件的平均EQE/γ；(e)-(h) 具有納米散射層和不具有納米散射層的器件性能對比
在器件機制方面，陳樹明課題組近期揭示了過剩電子對藍(lán)光QLED的破壞作用，相關(guān)研究以“Electron‐induced degradation in blue quantum‐dot light‐emitting diodes”為題發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）。
通過在藍(lán)光QLED運行期間原位監(jiān)測器件中的藍(lán)光量子點以及空穴傳輸層的光致發(fā)光的變化情況，觀察到藍(lán)光量子點以及空穴傳輸層的發(fā)光性能逐步下降。進一步對單電子及單空穴器件進行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子注入到藍(lán)光量子點時，藍(lán)光量子點的發(fā)光性能迅速下降。通過表征藍(lán)光量子點表面配體的變化情況，發(fā)現(xiàn)注入的電子會導(dǎo)致藍(lán)光量子點表面油酸配體的脫落，從而導(dǎo)致藍(lán)光量子點出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損害。此外，器件中積累的過量電子，會泄漏至空穴傳輸層，導(dǎo)致空穴傳輸層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生降解，從而進一步加劇藍(lán)光QLED的老化。
此研究深入揭示了藍(lán)光QLED的穩(wěn)定性與器件中積累的電子、藍(lán)光量子點的表面配體和空穴傳輸層之間強烈的依賴關(guān)系，這有助于研究人員進一步制定有效的設(shè)計策略，改善藍(lán)光QLED的使用壽命。
該研究的第一作者為陳樹明課題組博士后高佩麗，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、深圳市基礎(chǔ)研究項目的資助。
圖 6：(a) PL-EL測試系統(tǒng)示意圖；(b) 藍(lán)光QLED老化前后的PL強度對比；(c) 紅光單電子器件與藍(lán)光單電子器件在老化前后的FTIR譜對比及量子點老化機制示意圖；(d) 利用sEQEPV譜分析藍(lán)光QLED與紅光QLED在老化過程中量子點的變化過程；(e) QLED老化前后的電荷注入示意圖；(f) 藍(lán)光QLED中TFB功能層的老化過程及老化機理（來源：南方科技大學(xué)） |
