量子点发光二极管由于其色域覆盖广、溶液加工成本低和低电压下亮度和效率高的优势而在显示应用中非常有吸引力，是下一代显示技术的有力竞争者。LED的效率是一个至关重要的性能指标，而量子点LED的外量子效率受较低的外耦合效率所限制：通常，只有不到30%的光子耦合到空气中，其余的光子被困在器件内部。调控量子点中跃迁偶极矩取向以增加垂直于器件衬底的光子发射提供了提高外耦合效率的途径，这需要将发光具有方向性的量子点排列起来。这已经在各向异性量子点中得到了证明，如纳米片，纳米棒和具有暴露平面的量子点，其中范德华相互作用被认为是主要驱动力。然而，采用这种各向异性量子点的LED的辐射复合效率较低，因此光子外耦合的增加被内量子效率的损失所抵消。需要找到一种可行的偶极取向策略，在平面量子点LED中实现外耦合效率的提升。
河南大学申怀彬教授与中国科学技术大学樊逢佳教授、杜江峰院士等人合作，在量子点发光二极管（QD-LED）领域取得重要进展。该研究团队利用混合相 CdZnSeS 量子点中的偶极-偶极相互作用使量子点有效排列，增强了发光二极管中的光子外耦合。研究成果以“Dipole–dipole-interaction-assisted self-assembly of quantum dots for highly efficient light-emitting diodes”为题，发表在《Nature Photonics》杂志上（DOI : 10.1038/s41566-023-01344-4）。
中科大博士研究生徐淮豫，河南大学博士研究生宋姣姣、硕士研究生周鹏豪，中科大博士研究生宋杨为共同第一作者；河南大学申怀彬教授、中科大杜江峰院士、多伦多大学Edward H. Sargent教授，中科大樊逢佳教授为共同通讯作者。
图1. 具有大永久偶极矩的多型晶体结构量子点的合成
在本项研究中，研究人员开发出一种新型的多型晶体结构的量子点，使用纤锌矿CdZnSe核作为结构模板来外延生长纤锌矿 ZnS壳层，得到了纤锌矿与闪锌矿ZnS共存的多型晶体结构量子点（图1）。强离子性的纤锌矿ZnS提供了排列量子点所需的大电偶极矩；闪锌矿部分影响电子结构，从而促进每个量子点的取向发光，两方面结合实现了跃迁偶极矩取向的调控。
图2. 多型晶体结构量子点取向的表征
研究人员使用背焦面成像等手段确认了此量子点材料的跃迁偶极矩取向，具有79 %的面内偶极矩占比（图2）。使用该量子点制备的量子点LED表现出超高的效率和稳定性（外量子效率35.6%，1000 cd /m-2亮度下T95寿命:40，900小时， 图3）。
图3. QD-LED器件的仿真与实验结果
该研究首次借助偶极-偶极相互作用排列量子点这一策略，在不影响内量子效率的情况下提高了外耦合效率，实现了量子点LED的效率提升，提高了量子点LED的技术优势及竞争力。同时，通过选择合适的材料，这一策略有望拓展到蓝色和绿色量子点LED以及LED以外的其他量子点应用中。
该研究得到了国家自然科学基金委-区域创新发展联合基金、科技部重点研发计划等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01344-4
来源：河南大学材料学院
