河南大學科研成果入選2019年度中國光學十大進展

新聞作者：中國雷射

3月20日，中國雷射雜誌社發布「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體》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，研發了兼具高亮度、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體（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，研發了兼具高亮度、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，開啟了LED照明和顯示的新時代（三位日本科學家因此貢獻獲得了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製備成本等優點，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了大幅度提升。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，導致空穴注入效率過低，與電子注入不平衡。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，合成了螢光量子產率高、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，有效降低空穴注入勢壘，提高載流子的注入效率，克服以往QLED中由於空穴注入不足、電子注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布

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）。該工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的關鍵難題，首次實現了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

為了更精確地描述新型QLED的發光特性，研究團隊引入了一個新概念——「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與文獻已報導工作的比較，可以看到，綠色器件的EFL提高了一倍，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都已超過了相應的閾值。

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，不僅在原理上展示了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了新思路。

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。

該工作得到國家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」由中國雷射雜誌社發起，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家組成，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」。

論文連結：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：高效穩定非鉛滷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體（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雷射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：高效穩定非鉛滷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體（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雷射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)）