北京大学与合作者实现高性能蓝光和绿光胶体量子阱发光二极管

近日，北京大学物理学院现代光学研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学团队”高宇南课题组与浙江大学金一政课题组合作，通过使用阳离子交换方法，成功制备高荧光量子产率的核/壳结构硒锌镉/硫化锌胶体量子阱，并由此制备高性能的胶体量子阱发光二极管。

2024年12月10日，相关研究成果以“由 CdZnSe/ZnS 核/壳胶体量子阱实现的高性能绿光和蓝光发光二极管”（High‐Performance Green and Blue Light-Emitting Diodes Enabled by CdZnSe/ZnS Core/Shell Colloidal Quantum Wells）为题发表于《先进材料》（Advanced Materials）上。

胶体量子阱（CQWs）独特的各向异性特性使其在纳米晶基器件中具有很高的应用前景。然而，基于CQWs的绿色和蓝色发光二极管的有限性能阻碍了它们的实际应用。在本研究中，首次通过直接阳离子交换实现了具有特定尺寸、形状和晶体结构的合金硒锌镉CQWs。这种方法有效使得纳米晶的发光波长蓝移，并能维持量子阱的片状形貌，为后续的溶液外延生长提供种子。

图1. 阳离子交换反应示意图和样品照片

研究团队考虑到异质结构对于纳米晶表面缺陷的钝化作用，通过热注入壳层生长方法在硒锌镉核外侧外延生长硫化锌保护层。这种方法有效地提升了纳米晶的发光效率与提纯稳定性，为后续的器件制备提供了优良的发光材料。值得一提的是，该策略有效解决了长期困扰胶体量子阱领域有关发光波长过度红移的问题，在蓝光区与绿光区均实现了优秀的发光性能。

图2.高温热注入壳层生长示意图。（a）CdZnSe/ZnS核壳CQWs合成示意图。（b) CQWs溶液的吸收光谱和光致发光光谱。c) 反应过程中荧光峰波长和半宽的变化。d) CQWs的瞬态荧光衰减曲线。e)绿色和蓝色CQWs的荧光量子产率。

研究团队利用新型的蓝绿胶体量子阱制备出高性能的发光二极管。该器件显示出显著的峰值外量子效率（绿色为20.4%，蓝色为10.6%），伴随着绿色和蓝色的最大亮度分别为347,683 cd m-2和38,063 cd m-2。相较于此前的工作，器件的稳定性也有着巨大提升，绿光和蓝光器件寿命可达到14,000和195 小时。器件的高性能表现代表了纳米晶发光二极管（Nc-LED）的重大进步，并为将来各向异性纳米晶的领域提供重要合成策略。

图3. a)器件结构示意图。b)器件外量子效率-亮度示意图。

该成果中，北京大学物理学院现代光学研究所博士研究生朱云柯、邱晶晶，浙江大学化学系博士研究生鲁修远为共同第一作者；北京大学物理学院现代光学研究所高宇南研究员、白鹏博士，浙江大学化学系金一政教授为共同通讯作者。合作者包括北京大学物理学院、浙江大学化学系、北京大学电子显微镜实验室，以及京东方多位研究人员。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、介观物理国家重点实验室，教育部纳光电科学研究中心，北京大学长三角光电研究院，以及京东方科技集团股份有限公司等的支持。（来源：北京大学）

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