中科院突破环保蓝光QLED技术：效率达24.7%，寿命超2.9万小时

中科院突破环保蓝光QLED技术：效率达24.7%，寿命超2.9万小时

近日，中国科学院研究团队在《自然》期刊上发表了一项突破性研究成果，成功开发出一种新型环保型蓝光量子点发光二极管（QLED）技术。这种基于ZnSeTeS量子点的QLED不仅在效率和稳定性方面达到了前所未有的高度，而且完全避免了传统QLED中使用的有毒重金属，为环保型显示技术的发展开辟了新的道路。

什么是量子点与QLED？

量子点是一种尺寸在1纳米到100纳米之间的超小半导体纳米颗粒，通常由锌、镉、硒和硫等元素组成。它的独特之处在于具有“量子限域效应”，即当半导体材料的尺寸缩小到一定程度时，其能带结构会从连续变为离散的电子能级，从而导致其光学和电学性质发生显著变化。这种特性使得量子点在受到光或电激发时，能够发出特定波长的光，且其发光颜色可以通过改变颗粒的尺寸、形状和组成来精确调控。

此外，量子点还可以直接用于制造量子点LED（QLED），这是一种基于量子点电致发光原理的新型显示技术。在QLED中，量子点被夹在两个电极之间，当电流通过时，量子点会发出特定颜色的光，从而实现显示功能。QLED具有超薄、高色域、可柔性、高对比度等优点，被认为是下一代显示技术的有力竞争者。

环保与性能的双重挑战

量子点发光二极管（QLED）通常依赖于一种称为量子点的纳米晶体，而传统QLED的制造往往使用有毒的重金属，这不仅对环境造成负担，也限制了其在某些领域的应用。尽管近年来在开发无重金属的量子点LED方面取得了进展，但它们的整体性能，尤其是蓝光发射的性能，仍落后于使用重金属镉的量子点LED。

锌、硒、碲（ZnSeTe）合金量子点作为一种环保替代品，具有很大的应用潜力。然而，在合金合成过程中，硒（Se）和碲（Te）原子的反应性不平衡，导致Te原子在量子点中的分布不均匀。这种不均匀分布使得量子点发出的光谱较宽，并且在量子点的“堆叠”纳米结构中产生缺陷，从而影响QLED的运行和稳定性。此外，Te和Se吸引电子能力的差异使得相邻的Te原子形成“等电子中心”，这些缺陷通过电效应降低了QLED的颜色纯度。

图1 两种不同量子点的结构模型和像差校正透射电镜图像。

创新策略与突破

为了克服这些挑战，研究团队将硫与有机磷化合物三苯基磷酸酯（TPP-S）结合，引入到ZnSeTe量子点的前驱体中。这一策略带来了多方面的好处：

1. 平衡反应性：TPP-S平衡了阴离子前驱体的反应性，促进了Te和Se在量子点中的均匀分布。
2. 抑制等电子中心：硫原子通过重新分布电荷载流子，抑制了相邻Te原子形成的等电子中心，从而减少了颜色纯度的损失。
3. 提升结构稳定性：引入TPP-S消除了堆叠缺陷和氧相关缺陷，并增加了量子点中原子排列的方式（构型熵），进一步提升了量子点的结构稳定性和性能。

图3 两种不同量子点的电流密度与EQE曲线（EQE：外部量子效率，即器件将电能转化为光能的效率）。

卓越性能与未来展望

通过这种创新策略制备的ZnSeTeS量子点展现出了卓越的性能：

1. 高外部量子效率：达到了24.7%，与商业化的镉基QLED相当。
2. 窄发射波长分布：在460纳米中心波长处的发射波长分布宽度仅为17纳米，确保了高颜色纯度。
3. 长寿命：在100坎德拉/平方米的亮度下，运行寿命长达29,600小时。

这些性能指标的提升，使得ZnSeTeS量子点在环保型蓝光QLED领域具有很大的竞争力，为下一代高分辨率显示器的发展提供了新的方向。尽管目前这种蓝光QLED在运行稳定性上仍略逊于有机LED等非ZnSeTe基商业产品，但研究团队已经认识到进一步增加构型熵、优化Te分布以及拓展策略以提升绿光和红光ZnSeTeS量子点性能的重要性，为加速ZnSeTeS基QLED的商业化应用奠定了基础。