高效绿色InP基二极管的电子注入与泄漏调控研究
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08197-z
一、研究背景与挑战
量子点发光二极管（QD-LED）因高量子效率和优异单色性，被视为下一代显示与照明技术核心。含镉（Cd）QD-LED因毒性受限，无镉材料（如InP、ZnSe）成为理想替代。
红色InP基和蓝色ZnTeSe QD-LED已实现超20%外量子效率（EQE），但绿色InP基QD-LED因采用InP–ZnSeS–ZnS结构，ZnSeS中间层高电子注入势垒导致电子浓度不足，效率低（16.3%）、寿命短，制约无镉QD-LED发展。
二、关键发现：ZnSe中间层调控电子行为
通过电激发瞬态吸收光谱（EETA）发现，ZnSeS中间层使绿色InP基QD-LED电子浓度仅0.09（红色器件0.50），低于高效辐射复合阈值。提出两步策略：
降低注入势垒：用纯ZnSe替代ZnSeS中间层，利用其更低导带底能级，提升电子注入效率，浓度增至0.15以上。
抑制电子泄漏：增加ZnSe层厚度（2.5 nm→4.0 nm），量子隧穿模型（WKB近似）表明，厚ZnSe层在保持高注入概率的同时，大幅降低泄漏概率，注入/泄漏概率比提升3倍以上。
三、器件性能突破
优化后绿色InP基QD-LED（543 nm）性能显著提升：
效率：峰值EQE达26.68%，较此前最优值提升63%，超同类器件1.6倍。
寿命：初始亮度1000 cd/m²时，\(T_{95}\)寿命1241小时，较此前记录提升165倍。
亮度与驱动电压：最大亮度超270,000 cd/m²，开启电压低至2.1 V，接近含镉QD-LED的高效注入水平。
四、在器件中的作用
PF8Cz（聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-alt-(9-(2-乙基己基)-咔唑-3,6-二基)）作为空穴传输层（HTL）材料：
空穴传输与积累调控：旋涂于PEDOT:PSS层上形成均匀薄膜，促进空穴从阳极（ITO）向量子点层传输。EETA显示，厚ZnSe层使HTL信号饱和而非下降，表明电子泄漏抑制，空穴注入更稳定。
界面能级匹配：能级结构与InP量子点价带匹配，减少空穴注入势垒，其高玻璃化转变温度和良好成膜性提升器件稳定性，避免界面缺陷导致的非辐射复合。
五、理论模型与机制解析
结合WKB量子隧穿模型，ZnSe中间层厚度增加虽略微降低注入概率，但对泄漏概率的抑制更显著（泄漏概率随厚度增加呈指数下降），实现净电子浓度提升。实验与模型模拟吻合，证明调节壳层材料与厚度可精准控制载流子行为。
六、结论与展望
研究通过EETA明确绿色InP基QD-LED效率瓶颈，经材料替换与结构优化，实现效率与寿命双重突破。PF8Cz辅助空穴传输与界面能级平衡。该策略为无镉QD-LED设计提供普适指导，有望推广至蓝色QD-LED等体系，推动全色系高效环保QD-LED应用。
粤公网安备44000000000000号