浙江大学Nature Communications：红光/蓝光QLED实现超长寿命

【引言】

胶体量子点是一种可溶液加工的半导体纳米晶体，其表面包裹一层有机配体。量子点合成化学的进展可以使我们获得具有高效、稳定和高纯度荧光发射性能的发光材料。核/壳量子点的电致发光有望充分利用量子点优异的发光性能和可溶液加工性能，实现低成本、高性能的量子点发光二极管（QLED）、电驱动单光子源和潜在的电泵浦激光器。然而，高性能QLED的设计和制造仍然极具挑战性。量子点在工作状态下难以保持优异的发光特性，这通常被归因于器件中不平衡的电荷注入和/或界面激子猝灭。以此为指导原则在材料筛选和器件工程方面做了大量的努力，但目前仍然仅有几个有限特例实现了高效率和较长工作寿命的红绿光QLED。这一局面说明，我们需要在基础科学问题层面有新的理解，并提出量子点设计的新原则和指标，以跨越从光致发光与电致发光的鸿沟。

在光致发光中，激子是通过吸收光子将量子点价带的电子激发到导带而同时产生电子-空穴对，并限域在核-壳结构中。在电致发光中，激子是通过将电子和空穴分别注入量子点而产生的，而电子和空穴的注入都将经过量子点表面。这意味着，在设计高性能电致发光器件的量子点时，除了考虑表面配体对量子点光学性能的影响，还必须考虑它们的电化学特性。

【成果简介】

近日，浙江大学璞超丹、戴兴良（共同一作）和金一政研究员、彭笑刚教授（共同通讯作者）等人提出了量子点应用于电致发光的新设计原则。研究人员发现了QLED工作时，具有电化学活性的配体可能被原位还原，从而大大降低器件效率和寿命。基于这一认识，提出将电化学惰性配体应用于QLED中的量子点，从而实现在电致发光器件中有效利用量子点优异的发光性能，获得了工作寿命创纪录的红光二极管（在1000 cd m^-2时，T₉₅>3800小时）和蓝光二极管（在100 cd m^-2时，T₅₀>10000小时）。这一材料设计原则对于提高QLED的电致发光效率和工作稳定性具有普遍意义，为解决QLED走向产业应用的瓶颈问题提供关键指导。相关研究成果以“Electrochemically-stable ligands bridge the photoluminescence-electroluminescence gap of quantum dots”为题发表在NatureCommunications上。

【图文导读】

图一、CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂和CdSe/CdS-RNH₂量子点的光致发光（PL）和电致发光（EL）性质（a）量子点表面羧酸镉盐配体与伯胺配体交换；

（b）吸收和稳态PL光谱；

（c）时间分辨荧光光谱；

（d）QLED器件结构示意图；

（e）QLED电流密度和亮度与驱动电压关系曲线；

（f）QLED的外量子效率（EQE）与驱动电压关系曲线；

（g）在100 mA cm^-2的恒定电流密度下，QLEDs的电致发光稳定性。

图二、CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子点的电化学还原（a）QLED中量子点相对PL效率随电压的变化；

（b）2 V 驱动下，CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子点在QLED中相对PL效率随时间变化；

（c）单电子器件中量子点的相对PL效率；

（d）两种类型CdSe/CdS核/壳量子点和油酸镉的循环伏安曲线；

（e，f）CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子点在不同条件下的PL和微分俄歇电子能谱。

图三、CdSe/CdS量子点的PL和EL性质与羧酸镉浓度之间的关系（a）合成的CdSe/CdS-Cd（RCOO）₂量子点（红色）和完全表面处理的CdSe/CdS-RNH₂量子点（黑色）的红外光谱；

（b）溶液中CdSe/CdS核/壳量子点的剩余羧酸盐百分比和其荧光效率（PL QY）与配体交换过程中使用伯胺浓度的关系；

（c）量子点薄膜的PL QY、QLED的IQE、QLED的工作寿命和QLED的电压间隙与量子点表面残留羧酸配体含量的关系。

图四、不同配体的红光量子点的电化学稳定性和QLED性能（a）CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点在单电子器件中的相对PL效率随时间变化；

（b）CdSe/CdS/ZnS核/壳/壳量子点在QLED中的相对PL效率随时间变化；

（c，d）相对应QLED的EQE与驱动电压关系曲线和恒流工作下的T₉₅寿命。

（e）不同配体CdSe/CdS核/壳量子点和CdSe/CdS/ZnS核/壳量子点内量子效率（IQE）和PL QY的比率。

图五、蓝光量子点的电化学稳定性和QLED性能（a）蓝光量子点在单电子器件中的相对PL效率随时间变化；

（b）蓝光量子点在QLED中的相对PL效率随时间变化；

（c）蓝光QLED的EQE与电压关系曲线；

（d）在恒流模式下驱动的蓝光QLED工作寿命。

【小结】

本文设计了一种简单、通用的和基于材料的策略，可以有效地桥连量子点光致发光与电致发光，大大提升了红光和蓝光QLED的工作寿命。同时，配体的电化学稳定性是光电器件和电子器件量子点的关键设计参数，因为这些器件的工作都涉及向量子点注入电荷的过程。

文献链接：“Electrochemically-stable ligands bridge the photoluminescence-electroluminescence gap of quantum dots”(Nat. Commun.，2020，DOI:10.1038/s41467-020-14756-5)

本文由CYM编译供稿。