20世纪90年代氮化镓基高亮度蓝光LED的突破，开启了LED照明和显示的新时代(三位日本科学家因此贡献获得了2014年诺贝尔物理学奖)。基于半导体量子点的QLED，由于具有更好的单色性、色彩饱和度和较低的制备成本等优点，在显示和照明领域展现出广阔的应用前景。经过近几年的快速发展，其发光亮度、外量子效率(EQE)和寿命等主要性能指标都得到了大幅度提升。但在以往的工作中，器件存在高亮度时效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域亟待解决的难题，也是制约其在显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。
造成上述“鱼与熊掌不可兼得”困境的主要原因在于，通常QLED发光层中量子点价带能级较深，与空穴传输层不匹配，导致空穴注入效率过低，与电子注入不平衡。针对这一难题，研究团队从发光层量子点的设计入手，基于“低温成核、高温长壳”的技术，合成了荧光量子产率高、稳定性强的硒阴离子贯穿的CdSe/ZnSe新型核壳结构量子点(图1)。这类高质量核壳结构量子点作为发光层，能改善与传输层能级的匹配，有效降低空穴注入势垒，提高载流子的注入效率，克服以往QLED中由于空穴注入不足、电子注入过多所引起的一系列问题，从而大幅度提升器件整体性能。
图1 CdSe/ZnSe核壳结构量子点球差电镜和元素分布
基于这种新结构体系，研究团队获得的红绿蓝三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其红、绿两色的亮度和效率以及蓝色的亮度都是目前国际上的最高记录(图2)。该工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝三基色QLED器件。
图2 红绿蓝三色QLED器件性能
为了更精确地描述新型QLED的发光特性，研究团队引入了一个新概念——“有效亮度(EFL)”，定义为峰值EQE与其相对应发光强度的乘积。图3是本工作三色QLED的EFL与文献已报道工作的比较，可以看到，绿色器件的EFL提高了一倍，红蓝两色有近量级的提升。而且，从照明对亮度和效率的要求来看，本工作得到的三色QLED都已超过了相应的阈值。
图3 红绿蓝三色QLED“有效亮度”(EFL)与已有工作比较
器件的稳定性(寿命)是制约其应用的另一个关键因素。该工作研发的新型QLED器件在寿命方面也表现出色，红色和绿色QLED器件的寿命达到1.6× 106 h以上，蓝色的寿命达到7000 h以上，其中绿色和蓝色器件的寿命也是目前的世界最长纪录。
这些研究结果以及所建立的器件模型，不仅在原理上展示了QLED在高亮高效显示与照明领域应用的可能性，也为未来QLED的材料体系设计和器件结构优化提供了新思路。
相关研究成果以Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness andefficiency为题发表在Nature Photonics [ 2019, 13, 192–197]上。河南大学申怀彬教授为该论文第一作者，河南大学杜祖亮教授、李林松教授和中国科技大学张振宇教授为共同通讯作者。
该工作得到国家自然科学基金委和科技部等部门的资助。
