评述作者：戴兴良，浙江大学材料科学与工程学院

胶体量子点是一种具有量子限域效应的无机半导体纳米晶体，可溶液加工。常见的量子点系统包括由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素组成的比如硒化镉(CdSe)量子点、硫化铅(PbS)量子点、磷化铟(InP)量子点等；或是单组分如碳量子点、硅量子点等，和三组分如铜铟硫( CuInS₂)量子点；以及近几年出现的金属卤化物如CsPbX₃ (X= Cl,Br,I) 等钙钛矿量子点。受量子限域效应作用，量子点呈现优异的光学特性，如荧光光谱窄、量子产率高、荧光不闪烁，结合无机发光中心所带来的光化学稳定性和表面配体所带来的溶液可加工性，在光电器件、生物标记、量子信息等领域表现出巨大的潜力。例如，目前已经利用量子点取代荧光粉作为液晶显示器(LCD)的背光源，通过荧光下转换方式实现三原色光，将LCD的显示色域从原来的～72%提升到～110% NTSC(美国国家电视标准委员会)。该技术已经实现了商业化，比如三星、海信、TCL等公司纷纷推出的量子点电视。而将量子点发光二极管(QLED)用于制造主动矩阵发光(AM-QLED)显示屏，能更加充分地发挥量子点的优异特性。AM-QLED显示屏具有结构简单，对比度高，功耗低，视角广等优势。相比有机发光二极管显示，AM-QLED色彩饱和度高，无需使用滤光片获得较纯的发射光谱，降低显示能耗；且兼容溶液工艺制程如印刷、喷墨打印等大面积器件制备方式，显著降低成本，制备效率高。因此，AM-QLED非常有希望应用于显示领域，成为下一代显示技术的有力竞争者。

鉴于胶体量子点电致发光在显示领域的巨大应用潜力，下面以物理化学快报(J. Phys. Chem. Lett.)近期发表的6篇QLED文章为基础，简要介绍最新进展，期待该方向的研究能引起相关领域研究者与工业界的关注，并能推动QLED产业化的进程。

1)浙江大学的金一政研究员等研究表明红光QLED工作过程中电子转移到空穴传输层，引发原位化学反应，降低空穴传输性能。通过表面氧等离子体处理空穴注入层，提升空穴注入/传输层界面的空穴注入能力，实现量子点发光层更高效的激子形成效率并减少漏电子，将QLED的性能提升至超过20%的最大外量子效率和1000 cd m^-2初始亮度下平均达到4200小时的T₉₅工作寿命(如图1所示¹)。

图1. QLED工作寿命及提升原理。

2)广西大学曹盛教授、赵家龙教授与星硕纳米科技有限公司合作，采用锂镁共掺的ZnO-MgO核壳结构纳米颗粒作为电子传输层，优化载流子平衡，实现了1000 cd m^-2初始亮度下最长T₉₅工作寿命超过11000小时的红光QLED器件(如图2所示²)。

图2. 优化的QLED器件发光效率和工作寿命统计

3)美国中佛罗里达大学纳米中心董亚杰教授等通过压印散斑图像全息亚表面结构提升器件出光率，将红光QLED器件的亮度提升至146000 cd m^-2@ 8 V(如图3所示³)。

图3. 散斑图像全息亚表面结构与普通平面结构出光比较。

4)华北电力大学谭占鳌教授等通过掺杂电荷传输层的方法，调控载流子注入势垒和迁移率，改善QLED器件载流子平衡，将蓝光器件的性能提升至最大亮度34874 cd m^-2，最大外量子效率为10.7%(如图4所示⁴)。

图4. 掺杂的传输层QLED能级示意图和相应蓝光器件发光效率。

另外两篇文章是基于不含重金属的InP量子点。考虑到Cd、Pb等的毒性，含重金属的材料在实际应用中受到限制。InP量子点，可能是最有希望实现在可见-近红外波段高效率发光的不含重金属发光材料，在电致发光器件领域获得了广泛的研究兴趣。下面介绍InP-QLED的两个最新工作。

5)吉林大学纪文宇教授等设计器件结构，在量子点发光层和空穴传输层界面插入薄层电子传输层，降低该界面空穴积累浓度，抑制界面激子淬灭，将红光InP基QLED的外量子效率从3.83%提升到6.32%(如图5所示⁵)。

图5. QLED器件中量子点/空穴传输层界面载流子分布示意图和器件性能。

6)河南大学的曾在平教授、申怀彬教授、杜祖亮教授等发展了不含重金属的蓝光发射核壳结构InP/GaP/ZnS//ZnS量子点，荧光量子产率达到80%。通过较厚的ZnS壳层，优化QLED中的载流子平衡和抑制量子点间能量转移，实现了3120 cd m^-2的最大亮度和1.01%的外量子效率(如图6所示⁶)。

图6. InP/GaP/ZnS//ZnS量子点及其电致发光器件性能。

评论和展望

上面报道的研究进展表明QLED可以实现高效稳定的电致发光器件，红光器件所展现的性能已基本满足显示应用需求，在显示领域大有可为。然而目前，蓝光器件的性能，尤其是工作稳定性，远逊于红绿QLED器件。报道的高性能蓝光器件，在100 cd m^-2初始亮度下半衰寿命约为1万小时⁷，不能满足实际使用需求。克服蓝光器件寿命短的难题，需要加强器件老化机制方面的理解和积累，在分子层面描绘导致器件老化/失效的微观机制，有针对性地开展材料化学的创新。幸运的是，高性能红光QLED的实现，包括研究经验与手段、对器件工作与衰减机理的理解、材料化学与器件工艺的进步等，都可以为蓝光器件的研究提供借鉴。例如，我们在红光QLED中发现量子点表面配体的原位电化学还原，是器件失效的一个重要机制⁷。采用电化学惰性配体修饰红光量子点，可以有效抑制该衰减通道。这一用于电致发光的量子点配体设计原则可以推广至蓝光量子点，提升蓝光QLED工作寿命。同时，最近的研究表明不含重金属的量子点发光材料正在蓬勃发展。得益于InP量子点合成化学的发展，红光InP发光器件的性能，无论是发射光谱纯度(半峰宽)还是光效、工作寿命等正逐步赶上Cd系量子点器件^8-9。从这些例子看出，后续发展无重金属发光量子点，首要解决的问题是高品质材料的可控合成；进而结合器件工程与物理化学机制研究，有望取得新的突破。

评述作者简介：

戴兴良，浙江大学博士后。2017年在浙江大学获得工学博士学位(导师：金一政研究员)。随后在浙江大学光电学院童利民教授课题组、材料学院叶志镇教授课题组开展博士后研究工作，并与浙大化学系金一政研究员课题组、彭笑刚教授课题组合作，从事量子点电致发光器件方面的研究。以第一(共一)作者及通讯作者身份在Nature、Nature Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Phys. Chem. Lett.等国际期刊发表研究工作，他引2500余次。

1. Yuxun Ye, X. Z., Desui Chen, Yunzhou Deng, Dong Chen, Yanlei Hao, Xingliang Dai,; Yizheng Jin, Design of the Hole-Injection/Hole-Transport Interfaces for Stable Quantum-Dot Light-Emitting Diodes. JPCL 2020, 11 (12), 4649-4654.

2. Liu, D.; Cao, S.; Wang, S.; Wang, H.; Dai, W.; Zou, B.; Zhao, J.; Wang, Y., Highly Stable Red Quantum Dot Light-Emitting Diodes with Long T95 Operation Lifetimes. J Phys Chem Lett  2020, 11 (8), 3111-3115.

3. hen, H.; He, Z.; Zhang, D.; Zhang, C.; Ding, Y.; Tetard, L.; Wu, S. T.; Dong, Y., Bright Quantum Dot Light-Emitting Diodes Enabled by Imprinted Speckle Image Holography Nanostructures. J Phys Chem Lett  2019, 10 (9), 2196-2201.

4. Wang, F.; Sun, W.; Liu, P.; Wang, Z.; Zhang, J.; Wei, J.; Li, Y.; Hayat, T.; Alsaedi, A.; Tan, Z., Achieving Balanced Charge Injection of Blue Quantum Dot Light-Emitting Diodes through Transport Layer Doping Strategies. J Phys Chem Lett  2019, 10 (5), 960-965.

5. Wang, Y.; Chen, Z.; Wang, T.; Zhang, H.; Zhang, H.; Wang, R.; Ji, W., Efficient Structure for InP/ZnS-Based Electroluminescence Device by Embedding the Emitters in the Electron-Dominating Interface. J Phys Chem Lett  2020, 11 (5), 1835-1839.

6. Zhang, H.; Ma, X.; Lin, Q.; Zeng, Z.; Wang, H.; Li, L. S.; Shen, H.; Jia, Y.; Du, Z., High-Brightness Blue InP Quantum Dot-Based Electroluminescent Devices: The Role of Shell Thickness. J Phys Chem Lett  2020, 11 (3), 960-967.

7. Pu, C.; Dai, X.; Shu, Y.; Zhu, M.; Deng, Y.; Jin, Y.; Peng, X., Electrochemically-stable ligands bridge the photoluminescence-electroluminescence gap of quantum dots. Nat Commun 2020, 11 (1), 937.

8. Li, Y.; Hou, X.; Dai, X.; Yao, Z.; Lv, L.; Jin, Y.; Peng, X., Stoichiometry-controlled InP-based quantum dots: synthesis, photoluminescence, and electroluminescence. J Am Chem Soc 2019, 141 (16), 6448-6452.

9. Won, Y. H.; Cho, O.; Kim, T.; Chung, D. Y.; Kim, T.; Chung, H.; Jang, H.; Lee, J.; Kim, D.; Jang, E., Highly efficient and stable InP/ZnSe/ZnS quantum dot light-emitting diodes. Nature 2019, 575 (7784), 634-638.

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