高效綠色InP基二極管的電子注入與泄漏調(diào)控研究 

 https://doi.org/10.1038/s41586-024-08197-z

 一、研究背景與挑戰(zhàn) 

量子點發(fā)光二極管（QD-LED）因高量子效率和優(yōu)異單色性，被視為下一代顯示與照明技術(shù)核心。含鎘（Cd）QD-LED因毒性受限，無鎘材料（如InP、ZnSe）成為理想替代。

紅色InP基和藍色ZnTeSe QD-LED已實現(xiàn)超20%外量子效率（EQE），但綠色InP基QD-LED因采用InP–ZnSeS–ZnS結(jié)構(gòu)，ZnSeS中間層高電子注入勢壘導(dǎo)致電子濃度不足，效率低（16.3%）、壽命短，制約無鎘QD-LED發(fā)展。 

 二、關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：ZnSe中間層調(diào)控電子行為 

通過電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜（EETA）發(fā)現(xiàn)，ZnSeS中間層使綠色InP基QD-LED電子濃度僅0.09（紅色器件0.50），低于高效輻射復(fù)合閾值。提出兩步策略： 

• 降低注入勢壘：用純ZnSe替代ZnSeS中間層，利用其更低導(dǎo)帶底能級，提升電子注入效率，濃度增至0.15以上。

• 抑制電子泄漏：增加ZnSe層厚度（2.5 nm→4.0 nm），量子隧穿模型（WKB近似）表明，厚ZnSe層在保持高注入概率的同時，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 

優(yōu)化后綠色InP基QD-LED（543 nm）性能顯著提升： 

• 效率：峰值EQE達26.68%，較此前最優(yōu)值提升63%，超同類器件1.6倍。 

• 壽命：初始亮度1000 cd/m2時，\(T_{95}\)壽命1241小時，較此前記錄提升165倍。 

• 亮度與驅(qū)動電壓：最大亮度超270,000 cd/m2，開啟電壓低至2.1 V，接近含鎘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)）作為空穴傳輸層（HTL）材料： 

• 空穴傳輸與積累調(diào)控：旋涂于PEDOT:PSS層上形成均勻薄膜，促進空穴從陽極（ITO）向量子點層傳輸。EETA顯示，厚ZnSe層使HTL信號飽和而非下降，表明電子泄漏抑制，空穴注入更穩(wěn)定。

• 界面能級匹配：能級結(jié)構(gòu)與InP量子點價帶匹配，減少空穴注入勢壘，其高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和良好成膜性提升器件穩(wěn)定性，避免界面缺陷導(dǎo)致的非輻射復(fù)合。 

 五、理論模型與機制解析 

結(jié)合WKB量子隧穿模型，ZnSe中間層厚度增加雖略微降低注入概率，但對泄漏概率的抑制更顯著（泄漏概率隨厚度增加呈指數(shù)下降），實現(xiàn)凈電子濃度提升。實驗與模型模擬吻合，證明調(diào)節(jié)殼層材料與厚度可精準控制載流子行為。 

 六、結(jié)論與展望 

研究通過EETA明確綠色InP基QD-LED效率瓶頸，經(jīng)材料替換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)效率與壽命雙重突破。PF8Cz輔助空穴傳輸與界面能級平衡。該策略為無鎘QD-LED設(shè)計提供普適指導(dǎo)，有望推廣至藍色QD-LED等體系，推動全色系高效環(huán)保QD-LED應(yīng)用。