三星再發《Nature》,或將引發量子點顯示技術新革命!

　　量子點（QD）具有螢光量子產率高、單色性佳、發射光譜隨尺寸連續可調、光化學穩定性和熱穩定性強等優點，被認為是下一代平板顯示和固態照明應用中最具潛力的候選材料。量子點發光二極體（QD-LED）具有出色的效率，色純度，可靠性，並且可通過具有成本效益的製造方式實現規模化生產，因此是大面板顯示器的理想選擇。

　　目前， 紅色、綠色和藍色QD-LED的外量子效率（EQE）分別達到了20.5％，23.9％和19.8％ 。而且，紅色和綠色QD-LED均可以實現高亮度下的長壽命，分別為 T 95 = 3,800 h和 T 95 = 2,500 h（ T 95 ，亮度降低到初始值的95％的時間）。相比之下，藍色QD-LED的穩定性卻差很多，主要的原因如下：1）非輻射重組；2）藍色量子點發光層和空穴傳輸層之間存在較大的注入勢壘，使得過剩的電子在發光層和空穴傳輸層的界面處積累；3）電偏壓下配體的不穩定性。此外，QD-LED的另一個亟需解決的問題是這些量子點中大部分含有有毒的鎘成分。因此，改善器件的操作穩定性並避免使用有毒的鎘成分，成為了QD-LED商用的關鍵問題。

　　

　　2019年， 三星先進技術研究院Eunjoo Jang團隊 便在《Nature》發文，報導了一種製備均勻InP核和高度對稱的核/殼QD的合成方法，其量子產率約為100％。經過優化的InP / ZnSe / ZnS QD-LED的最大外量子效率為21.4％，最大亮度為100,000 cd m -2 ，在100cd m-2的條件下使用壽命長達一百萬小時，該性能可與最新的含鎘QD-LED媲美。

　　然而，InP的最佳控制發射波長太長，無法成為藍色發射器，並且最高的光致發光量子產率僅為76％。儘管有報導 InP/GaP/ZnS QD在480 nm處可以達到81％的光致發光量子產率，但EQE卻低至1％。最近，ZnTeSe QD-LEDs將EQE 提高到 4.2％，但是其壽命短（200 cd m -2 時 T 50 = 5min；亮度降低到初始值的50％所需的時間）。因此，開發無鎘藍光QD-LED仍然是一大挑戰。

　　

　　為了克服上述挑戰， Eunjoo Jang團隊繼2019年後再次在《Nature》發文， 報導了一種量子產率為100%的無鎘藍光ZnTeSe / ZnSe / ZnS量子點的合成 。 所得的器件顯示出高達20.2％的EQE，亮度為88,900 cd m -2 ，在100 cd m -2 時 T 50 = 15,850 h，這是迄今為止藍光QD-LED報導的最高值！

　　文章亮點：

　　1）通過調整ZnTeSe核中Te摻雜，以在457 nm處實現完美的藍光發射波長。

　　2）氫氟酸和氯化鋅的添加可以消除ZnSe晶體結構中的堆疊缺陷並鈍化表面懸空缺陷，從而將光致發光量子產率提高100％。

　　3）進一步的Cl-處理取代了天然的脂族配體，可以有效改善熱穩定性和電荷注入/傳輸。

　　4）發射層（EML）設計為具有梯度Cl濃度的雙堆疊結構，以促進空穴傳輸，從而提高器件的整體性能。

　　圖文詳情

　　一、ZnTeSe/ZnSe/ZnS （C/S/S）QDs藍光量子點的合成和表徵

　　

　　圖1：ZnTeSe/ZnSe/ZnS （C/S/S）QDs藍光量子點的表徵

　　要點一：在ZnTeSe核（直徑3.1nm）中Te / Se的摩爾比為6.7mol％，以調節藍色區域（457nm）中的發射波長。

　　要點二：ZnSe和ZnS殼的厚度分別為2.6 nm和1.2 nm。隨著ZnSe殼層的生長，容易產生堆垛層錯，促進了非輻射重組。

　　要點三：在殼生長過程中添加了ZnCl2和氫氟酸（HF）， 幾乎完全消除了堆垛層錯，從而使光致發光的量子產率提高了93％。其中，ZnCl2能夠取代龐大的配體，而HF能夠通過質子化分離配體。

　　二、探究氯化物鈍化表面缺陷的原因

　　在LED中使用C/S/S QD之前，通過兩個配體交換步驟將天然油酸（OA）配體替換為ZnCl 2 ：液相處理（表示為C / S / S-Cl（l））和洗膜處理（C / S / S-Cl（f））（圖2a）。

　　

　　圖2：氯化物鈍化表面缺陷探究。

　　要點一：由於ZnCl 2 比OA提供更好的鈍化表面缺陷，所以C / S / S-Cl（l）QD顯示出100％的光致發光量子產率（圖2b）。

　　要點二：DFT計算表明，與Zn懸空鍵結合的陰離子使表面能穩定，並且在所有可能的配位方面，Cl-配體優於Ac-。此外，態密度表明，鈍化表面（Ac2 / Zn4）中接近價帶最大值的中間能隙陷阱態被附加的Cl（Ac 2 Cl 2 / Zn 4 ）消除（圖2d），這說明了改進配體交換後的光致發光量子產率。

　　要點三：Cl-鈍化QD薄膜的熱穩定性顯著提高。C / S / S QD膜在150°C下烘烤後僅保留了初始光致發光強度的19％，而Cl-鈍化的C / S / S-Cl（l）和C / S / S-Cl（f ）薄膜保持了初始光致發光的76％和90％（圖2e）。

　　三、ZnTeSe/ZnSe/ZnS QD-LEDs的性能表徵

　　研究人員設計了具有由C / S / S-Cl（l）和C / S / S-Cl（f）層組成的雙量子點發射層的QD-LED，以同時改善電荷注入/傳輸和複合。

　　

　　圖3：ZnTeSe/ZnSe/ZnS QD-LEDs的性能表徵

　　要點一：與具有原始C / S / S的QD-LED相比，具有C / S / S-Cl（f）的QD-LED的電流密度在3.5 V時增加了200倍，並且開啟電壓降低到2.6 V。

　　要點二：具有C / S / S，C / S / S / -Cl（l）和C / S / S-Cl（f）的QD-LEDs的亮度分別為25,000 cd m -2 、40,120 cd m -2 和68,220 cd m -2 ，EQE分別為8.0％，10.2％和14.3％。

　　要點三：經過優化的器件在效率和亮度方面均顯示出顯著的提高，分別達到 20.2％和88,900 cd m -2 。 而且，運行穩定性也顯著提高；在650 cd m -2 的初始亮度下，T50測得為442 h（圖3f），這相當於在100 cd m -2 的15850 h。

　　小結： 總之，該工作報導了一種量子產率約為100%的藍光量子點的合成方法。研究發現，氫氟酸和氯化鋅添加劑可通過消除ZnSe晶體結構中的堆疊缺陷來有效提高發光效率。另外，通過液體或固體配體交換的氯化物鈍化導致緩慢的輻射複合，高的熱穩定性和有效的電荷傳輸性質。此外，具有梯度氯化物含量的雙量子點發射層的設計，可以促進空穴傳輸，從而使得器件在理論極限下顯示出效率，高亮度和長使用壽命。該工作報導的高效，穩定的藍色QD-LEDs為開發基於量子點的電致發光全色顯示器開闢了重要的途徑。

　　參考文獻：

　　Kim, T., Kim, K., Kim, S. et al. Efficient and stable blue quantum dot light-emitting diode. Nature 586, 385–389 (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2791-x

　　https://www.nature.com/articles/s41586-020-2791-x

　　來源：高分子科學前沿

　　聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！

　　投稿模板：

　　單篇報導：

　　系統報導：

　　歷史進展：

特別聲明：以上內容(如有圖片或視頻亦包括在內)為自媒體平臺「網易號」用戶上傳並發布，本平臺僅提供信息存儲服務。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.