我校科研成果入選2019年度中國光學十大進展

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3月20日,中國激光雜志社發佈“2019年度中國光學十大進展”(第十五屆)。河南大學申懷彬教授、李林松教授、杜祖亮教授等人和中國科技大學張振宇教授的科研成果《兼具高亮度和高效率的量子點發光二極管》成功入選。申懷彬教授等通過設計合成新型核殼結構量子點,研發瞭兼具高亮度、高效率和長壽命紅綠藍三基色QLED器件,其中多項性能指標創世界記錄,該研究結果有望加速推進QLED在高亮高效顯示和照明領域應用的進程。

2019年,河南大學與中國科學技術大學等單位合作,在可見光量子點發光二極管(QLED)方面取得突破性進展。該工作通過設計合成新型核殼結構量子點,研發瞭兼具高亮度、高效率和長壽命紅綠藍三基色QLED器件,其中多項性能指標創世界記錄,包括紅綠兩色的亮度(356,000 cd/m2和614,000 cd/m2)和效率(21.6%和22.9%)、藍色的亮度(62,600 cd/m2)以及綠色和藍色器件的壽命(分別為1.7 × 106 h和7000 h)。該研究結果有望加速推進QLED在高亮高效顯示和照明領域應用的進程。

20世紀90年代氮化鎵基高亮度藍光LED的突破,開啟瞭LED照明和顯示的新時代(三位日本科學傢因此貢獻獲得瞭2014年諾貝爾物理學獎)。基於半導體量子點的QLED,由於具有更好的單色性、色彩飽和度和較低的制備成本等優點,在顯示和照明領域展現出廣闊的應用前景。經過近幾年的快速發展,其發光亮度、外量子效率(EQE)和壽命等主要性能指標都得到瞭大幅度提升。但在以往的工作中,器件存在高亮度時效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同時保持高效率、且具有長壽命和高穩定性,是QLED領域亟待解決的難題,也是制約其在顯示和照明領域應用的關鍵技術瓶頸。

造成上述“魚與熊掌不可兼得”困境的主要原因在於,通常QLED發光層中量子點價帶能級較深,與空穴傳輸層不匹配,導致空穴註入效率過低,與電子註入不平衡。針對這一難題,研究團隊從發光層量子點的設計入手,基於“低溫成核、高溫長殼”的技術,合成瞭熒光量子產率高、穩定性強的硒陰離子貫穿的CdSe/ZnSe新型核殼結構量子點(圖1)。這類高質量核殼結構量子點作為發光層,能改善與傳輸層能級的匹配,有效降低空穴註入勢壘,提高載流子的註入效率,克服以往QLED中由於空穴註入不足、電子註入過多所引起的一系列問題,從而大幅度提升器件整體性能。

圖1 CdSe/ZnSe核殼結構量子點球差電鏡和元素分佈

基於這種新結構體系,研究團隊獲得的紅綠藍三色QLED器件的最高亮度和外量子效率,分別達到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%,其紅、綠兩色的亮度和效率以及藍色的亮度都是目前國際上的最高記錄(圖2)。該工作突破瞭以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的關鍵難題,首次實現瞭兼具高亮度高效率的紅綠藍三基色QLED器件。

圖2 紅綠藍三色QLED器件性能

為瞭更精確地描述新型QLED的發光特性,研究團隊引入瞭一個新概念——“有效亮度(EFL)”,定義為峰值EQE與其相對應發光強度的乘積。圖3是本工作三色QLED的EFL與文獻已報道工作的比較,可以看到,綠色器件的EFL提高瞭一倍,紅藍兩色有近量級的提升。而且,從照明對亮度和效率的要求來看,本工作得到的三色QLED都已超過瞭相應的閾值。

圖3 紅綠藍三色QLED“有效亮度”(EFL)與已有工作比較

器件的穩定性(壽命)是制約其應用的另一個關鍵因素。該工作研發的新型QLED器件在壽命方面也表現出色,紅色和綠色QLED器件的壽命達到1.6× 106 h以上,藍色的壽命達到7000 h以上,其中綠色和藍色器件的壽命也是目前的世界最長紀錄。

這些研究結果以及所建立的器件模型,不僅在原理上展示瞭QLED在高亮高效顯示與照明領域應用的可能性,也為未來QLED的材料體系設計和器件結構優化提供瞭新思路。

相關研究成果以Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness andefficiency為題發表在Nature Photonics [ 2019, 13, 192–197]上。河南大學申懷彬教授為該論文第一作者,河南大學杜祖亮教授、李林松教授和中國科技大學張振宇教授為共同通訊作者。

該工作得到國傢自然科學基金委和科技部等部門的資助。

“中國光學十大進展評選”由中國激光雜志社發起,經過首輪推薦、初評、終評三個環節,最終20項優秀的光學成果從110項研究進展中脫穎而出,入選2019年度中國光學十大進展(基礎研究類與應用研究類各10項)。評選委員會由48位光學與光子學領域的專傢組成,綜合考慮候選成果的學術價值和應用價值,從候選成果中初評30項進入終評,並以無記名投票方式產生“2019年度中國光學十大進展”。

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0364-z

附:2019中國光學十大進展(基礎研究類)獲獎目錄 北京大學:微腔表面對稱破缺誘導非線性光學(Nature Photonics, 13, 21–24 (2019)) 深圳大學:近場光學旋渦中的光學斯格明子結構(Nature Physics, 15, 650–654 (2019)) 浙江大學:首個三維光學拓撲絕緣體(Nature, 565, 622–626 (2019)) 華中科技大學:高效穩定非鉛鹵化物雙鈣鈦礦暖白光(Nature, 563, 541–545 (2018)) 河南大學:兼具高亮度和高效率的量子點發光二極管(Nature Photonics, 13, 192-197 (2019)) 復旦大學:雙層三碘化鉻中由層間反鐵磁誘導的非互易二次諧波(Nature, 572, 497–512 (2018) 中科院上海光機所:首次利用臺式化高重頻飛秒激光器驅動千特斯拉強磁場自組織放大(Physical Review Letters, 121, 255002 (2018)) 中山大學:關鍵量子信息器件——“三高”量子糾纏光源研究(Nature Nanotechnology, 14, 586–593 (2019)) 西安交通大學:壓縮超快時間光譜成像術創造超快成像新紀錄 (Physical review letters, 122, 193904 (2019)) 南京大學:光的波粒二象性的可控量子疊加 (Nature Photonics, 13, 872–877 (2019))

附:2019中國光學十大進展(基礎研究類)獲獎目錄

北京大學:微腔表面對稱破缺誘導非線性光學(Nature Photonics, 13, 21–24 (2019))

深圳大學:近場光學旋渦中的光學斯格明子結構(Nature Physics, 15, 650–654 (2019))

浙江大學:首個三維光學拓撲絕緣體(Nature, 565, 622–626 (2019))

華中科技大學:高效穩定非鉛鹵化物雙鈣鈦礦暖白光(Nature, 563, 541–545 (2018))

河南大學:兼具高亮度和高效率的量子點發光二極管(Nature Photonics, 13, 192-197 (2019))

復旦大學:雙層三碘化鉻中由層間反鐵磁誘導的非互易二次諧波(Nature, 572, 497–512 (2018)

中科院上海光機所:首次利用臺式化高重頻飛秒激光器驅動千特斯拉強磁場自組織放大(Physical Review Letters, 121, 255002 (2018))

中山大學:關鍵量子信息器件——“三高”量子糾纏光源研究(Nature Nanotechnology, 14, 586–593 (2019))

西安交通大學:壓縮超快時間光譜成像術創造超快成像新紀錄 (Physical review letters, 122, 193904 (2019))

南京大學:光的波粒二象性的可控量子疊加 (Nature Photonics, 13, 872–877 (2019))