面向发光二极管应用的连续渐变量子点研究

传统核壳结构的量子点因其具有发射波长可调、光致发光效率高、光谱纯度高和光稳定性优良等独特的光学性质，基于其的发光二极管器件性能接近了OLED性能。然而由于传统核壳结构量子点的发光二极管器件，外量子效率随着电流密度增加会出现明显的滚降效应，器件的使用寿命较短，仍是这一技术产业化应用的挑战。研究表明量子点的多激子特性、缺陷态捕获和净剩载流子等引起的非辐射复合过程是在高电流密度时量子点低性能的主要原因。连续渐变量子点由于具有平滑的限制势能，能有效减少非辐射俄歇复合，抑制量子点中俄歇复合过程中额外载流子的带内跃迁，平衡发光二极管器件中电荷的注入来抑制俄歇过程，展示出更加优异的器件性能和稳定性。这篇展望论文中，作者讨论了连续渐变量子点将在无滚降、高效率和高亮度的发光二极管器件构筑的进展，并对领域的发展进行了展望。

本文亮点：（1）总结了当前量子点发光二极管器件应用中遇到的挑战，展示了基于渐变量子点的发光二极管器件在解决上述问题中的潜力。（2）介绍了对于量子点发光二极管器件的前沿表征方法，对于研究基于连续渐变量子点的发光二极管器件的物理性质具有重要意义。（3）提出了进一步优化基于渐变量子点的发光二极管器件性能的途径，比如钝化量子点表界面缺陷态、调控渐变量子点和发光二极管器件的能带结构等。

图1. 渐变量子点有效抑制俄歇效应。a) 量子点中俄歇复合过程示意图以及不同条件下的限制势。图片来源1：Copyright 2008 American Chemical Society. b）传统 CdSe/CdS核壳结构量子点和CdSe/CdSeS/CdS渐变量子点的时间分辨光致发光光谱。图片来源1：Copyright 2008 American Chemical Society. c) 渐变量子点中的寿命闪烁现象，荧光强度保持不变但是寿命有两种情况。图片来源2：Copyright 2011 The Royal Society of Chemistry. d) 渐变量子点界面连续，能够有效降低应变引起的缺陷态捕获过程，从而抑制俄歇效应。图片来源3：Copyright 2018 American Chemical Society.

展望文章详细介绍了基于CdSe和CdS的渐变量子点种类和合成方法，并且详细总结了渐变量子点中平滑的限制势如何显著地抑制俄歇效应，例如可以有效抑制双激子、带电电荷的非辐射复合过程（图1b），能够有效抑制量子点界面应变引起的缺陷态捕获过程（图1d）等。

图2. 量子点发光二极管器件的表征技术。a) 量子点发光二极管器件的发光强度-电流密度-电压曲线。图片来源4：Copyright 2020 Springer Nature. b) 利用电压依赖的电吸收谱测量内建电势。图片来源5：Copyright 2020 American Chemical Society. c) 量子点发光二极管器件在不同电压下时间分辨光致发光光谱。图片来源6：Copyright 2013 American Physical Society. d）单个量子点的时间分辨光致发光光谱和电致发光光谱。图片来源4：Copyright 2020 Springer Nature.

为了研究渐变量子点发光二极管器件中的物理性质，展望还总结了一系列先进的表征技术。例如可以通过常规的发光强度-电流密度-电压曲线结合电压依赖的电致发光光谱得到不同电压下的外量子效率变化曲线（图2a），还可以通过测量器件电压依赖的电吸收谱去测量内建电势研究电荷注入的效率（图2b）。近些年的研究还可以同时测量量子点发光二极管器件甚至单个量子点中不同电压下的电致发光光谱和光致发光光谱，能够有效地研究器件中新奇的物理性质。这些系统有效的表征方法对于研究渐变量子点发光二极管器件的性能具有重要的意义。

图3. 渐变量子点发光二极管器件的优化。a) 通过化学修饰等方式进一步钝化量子点表界面的缺陷态。图片来源7：Copyright 2016 John Wiley and Sons. b) 通过调控量子点和发光二极管器件的能带结构去优化电荷注入平衡。图片来源8：Copyright 2020 American Chemical Society. c) 促进基于渐变量子点的白光发光二极管器件研究。图片来源9：Copyright 2015 American Chemical Society. d) 研究具有更加优越性能的、更加环保的、基于渐变量子点的发光二极管器件。图片来源10：Copyright 2020 Springer Nature.

基于渐变量子点发光二极管器件性能提升的主要原因是优化了器件的电荷注入平衡，并且提出了进一步推动其在下一代显示和照明等领域应用的可行措施。例如可以进一步地去钝化量子点表界面的缺陷态（图3a），调控量子点和发光二极管器件的能带结构去继续优化高电流密度下的电荷注入平衡（图3b）等。

来源：ACS美国化学会