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近日，浙江大學(xué)化學(xué)系金一政課題組、王林軍課題組與華南理工大學(xué)黃飛/應(yīng)磊團隊合作，在高性能藍(lán)、綠光量子點發(fā)光二極管（QLED）的開發(fā)上取得進展。研究者揭示了無機量子點/有機高分子界面的電荷轉(zhuǎn)移機制，繼而通過調(diào)控高分子空穴傳輸材料的分子結(jié)構(gòu)，有效地抑制了器件的載流子泄漏，從而同時創(chuàng)造了藍(lán)、綠光QLED的效率/壽命新紀(jì)錄，尤其是綠光QLED的性能已經(jīng)滿足顯示業(yè)界的應(yīng)用需求。

QLED是一種以膠體量子點材料作為發(fā)光中心、可通過溶液工藝制備的電致發(fā)光器件，是下一代低成本、低能耗、廣色域大屏顯示技術(shù)的有力競爭者。顯示應(yīng)用需要紅、綠、藍(lán)三色器件。目前，紅光QLED原型器件的效率、工作壽命等性能指標(biāo)已滿足產(chǎn)業(yè)化要求，但藍(lán)、綠光QLED的性能仍低于應(yīng)用需求。針對該瓶頸問題，研究者應(yīng)用納晶科技公司的高性能CdSe基量子點為模型系統(tǒng)，開展了機制研究，發(fā)現(xiàn)：有機空穴傳輸材料能級的能量無序會顯著增強量子點/有機空穴傳輸層界面的電子泄漏，是造成藍(lán)、綠光QLED效率損失的關(guān)鍵通道。具體地，相比于無機晶體量子點，有機無定形聚合物薄膜具有顯著的結(jié)構(gòu)無序度與較強的電-聲子耦合作用，導(dǎo)致了較多的帶尾態(tài)分布與較大的能級展寬。此外，單顆量子點的尺寸（約10 nm）遠(yuǎn)大于有機聚合物單元（約1~2 nm），形成了單給體-多受體的特殊界面。研究者結(jié)合QLED的光譜表征與界面電子轉(zhuǎn)移的非絕熱動力學(xué)模擬，確證上述效應(yīng)顯著增強了界面電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致器件中的漏電流。

圖1 藍(lán)、綠光QLED的界面電荷轉(zhuǎn)移機制

在明晰了上述關(guān)鍵機制的基礎(chǔ)上，研究團隊設(shè)計并合成了系列基于剛性共聚單元的咔唑-芴交替共聚聚合物（PF8Cz，已在東莞伏安光電科技有限公司實現(xiàn)生產(chǎn)和銷售），并通過合成方法的調(diào)控實現(xiàn)了高分子量。該材料與傳統(tǒng)聚合物傳輸層相比，具有更淺的LUMO能級與更小的能量無序，因而表現(xiàn)出優(yōu)異的電子阻擋能力。最終，利用此空穴傳輸材料，研究團隊構(gòu)筑了高性能藍(lán)、綠光QLED原型器件，最高外量子效率分別達(dá)21.9%與28.7%，且高效率窗口覆蓋了從顯示到通用照明的亮度范圍。藍(lán)、綠光QLED分別實現(xiàn)了長達(dá)4400小時與58萬小時的工作壽命（100尼特下亮度衰減95%），均是目前報道過的QLED最高值。

該研究為QLED器件的材料設(shè)計提供了關(guān)鍵的新策略，實現(xiàn)了性能滿足顯示應(yīng)用需求的綠光QLED原型器件，有望推動量子點印刷顯示技術(shù)的實用化進程。

圖2 高性能綠光、藍(lán)光量子點發(fā)光二極管

該成果近日以“Solution-processed green and blue quantum-dot light-emitting diodes with eliminated charge leakage”為題發(fā)表于Nature Photonics。浙江大學(xué)鄧云洲博士、博士生陸遙、博士生朱希童和華南理工大學(xué)彭灃博士為本文共同第一作者。浙江大學(xué)金一政教授、王林軍研究員和華南理工大學(xué)黃飛教授、應(yīng)磊教授為本文共同通訊作者。參與的合作者還有浙江大學(xué)狄大衛(wèi)教授、上海交通大學(xué)劉烽教授等。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃集成項目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金、面上項目和科技部重點研發(fā)計劃等項目的支持。