【產通社，6月5日訊】南方科技大學（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網消息，電子與電氣工程系副教授陳樹明課題組近日在量子點發(fā)光二極管（QLED）領域取得系列進展，相關研究成果分別發(fā)表在學術期刊Nature Communications、Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews 及 Advanced Materials 上。

在器件驅動方面，課題組提出一種即插即用（PnP, plug-and-play）的QLED結構，PnP-QLED不需要借助任何驅動電路，可以直接被220V/50Hz家用交流電驅動發(fā)光，相關研究以“Household alternating current electricity plug-and-play quantum-dot light-emitting diodes”為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

QLED由于具有發(fā)光色彩可調、色純度高、制備成本低等優(yōu)點，在下一代柔性、印刷顯示及固態(tài)照明領域具有重大的潛在應用前景�；趐-n二極管結構的QLED，通常只能工作在直流電流（DC）下。因此，為了驅動QLED，必須使用電源適配器或驅動電路，把220V/50Hz的家用交流電，通過降壓、整流等步驟轉變成低壓直流電；另外，還需借助DC-DC電流調節(jié)電路，以調節(jié)QLED的亮度。驅動電路的使用，增加了QLED燈具的復雜性、成本及功耗；其次，QLED長期工作在DC下，器件內部容易積累電荷，降低器件的運行壽命。針對上述問題，陳樹明課題組開發(fā)出一種由多個疊層QLED串聯集成的PnP-QLED。所提出的PnP-QLED可以直接使用220V/50Hz家用交流電驅動，同時還具有高效率、高亮度、長壽命的優(yōu)點，有望促進QLED在低成本、高性能固態(tài)照明光源上的應用。

一個疊層QLED是由底部器件B-QLED和頂部器件T-QLED垂直堆疊而成，并共享中間的透明導電氧化銦鋅（IZO）電極。通過不同的電極連接方式，B-QLED和T-QLED可實現串聯連接或并聯連接。當處于串聯連接時，該疊層QLED可工作在普通的直流模式下；當處于并聯連接時（把中間IZO電極引出，頂部電極Al和底部電極ITO短接），該疊層QLED可工作于交流模式下，由于此時B-QLED和T-QLED的極性相反，因此在交流電源驅動下，B-QLED和T-QLED將交替輪流發(fā)光，如圖1b所示。與文獻報道的交流電致發(fā)光器件相比，該交流疊層QLED具有以下優(yōu)點：
（1）持續(xù)發(fā)光。在交流電的驅動下，B-QLED和T-QLED交替發(fā)光，因此，在整個交流電的周期，該疊層QLED能夠持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)光；
（2）高效率、長壽命。B-QLED和T-QLED本質上都是工作于DC模式下，因此該交流疊層QLED具有和直流QLED類似的高效率和高亮度；此外，由于在交流電驅動下，B-QLED和T-QLED都會被施加半個周期的負偏置，積累在器件內部的空間電荷被有效釋放，使該交流疊層QLED的壽命得以提升；
（3）寬頻兼容。該疊層QLED本質上由直流QLED組成，其頻響取決于QLED的響應速度，可兼容Hz ~ MHz的交流電頻率。

基于以上優(yōu)點，該疊層QLED是實現交流電直驅、即插即用固態(tài)光源的最佳候選者。為使所提出的疊層QLED可直接被220 V的家用高壓交流電驅動，此研究進一步將多個疊層QLED串聯連接，從而增加器件陣列的驅動電壓，使得到的照明面板可直接接入到220 V/50 Hz的家用交流電上。一個即插即用QLED（PnP-QLED）包含兩個疊層QLED，通過中間的IZO電極串聯連接。該PnP-QLED在整個交流電驅動過程中，能持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)光，提高了光源的穩(wěn)定性和可靠性。另外，在交流電驅動下，PnP-QLED的運行壽命是直流驅動QLED的1.5倍。這些結果證實PnP-QLED能夠同時實現高效率以及長壽命。

此研究將PnP-QLED作為基本的構建模塊，通過串聯連接不同數量的PnP-QLED，實現可以直接工作在不同交流電壓的(PnP-QLED)n光源。例如，通過集成30個PnP-QLED，所得到的(PnP-QLED)30 可以直接接入220V/50Hz家用交流電，并持續(xù)發(fā)出穩(wěn)定的紅光、黃光和白光。此外，為了降低交流驅動引起的頻閃問題，此研究還進一步將兩個(PnP-QLED)30并聯連接，并調整其中一個(PnP-QLED)30的交流電輸入的相位差，使得到的光源產生穩(wěn)定的光輸出，有效的抑制頻閃。該工作為家用交流電直驅照明光源的實現提供了一種新的技術途徑。相關技術已申請發(fā)明專利（申請?zhí)?02410116639X）。

除此之外，陳樹明課題組在家用交流電直驅QLED的結構開發(fā)上持續(xù)創(chuàng)新。提出了共面電極的QLED結構，開發(fā)出了新的家用交流電直驅QLED。相關研究以“220 V/50 Hz compatible bipolar quantum-dot light-emitting diodes”為題發(fā)表在 Advanced Materials 上。

此研究通過Al電極橋接，將正置結構的QLED和倒置結構的QLED水平連接成串聯器件，得到的器件（CEB-QLED）具有驅動電極共面的特點。這種新型CEB-QLED可以在正偏壓或負偏壓下運行，并且表現出了出色的外量子效率和亮度。此外，通過使用Ag橋接層，進一步提高了CEB-QLED的亮度，實現了22.2%的外量子效率和16370 cd/m2的高亮度，這一性能表現創(chuàng)下了雙極性器件的最佳水平。

同時，該工作通過將多個CEB-QLED串聯連接，也實現了由220V/50Hz的家用交流電直接驅動的光源，無需額外的驅動電路。

在器件結構上，陳樹明課題組近期還提出了一種新型的頂發(fā)射結構，刷新了器件的出光效率，相關工作以“Highly efficient top-emitting quantum-dot light-emitting diodes with record-breaking external quantum efficiency of over 44.5%” 為題發(fā)表在 Laser & Photonics Reviews 上。

傳統(tǒng)的底發(fā)射QLED的出光效率較低，因為器件發(fā)射的光子需要通過透明襯底（玻璃）向空氣發(fā)射，由于玻璃襯底和空氣之間的折射率差異較大，一些光子在玻璃/空氣界面處會發(fā)生全內反射，從而被襯底所波導，降低了器件出光效率。雖然許多光提取結構如微透鏡，可以用來提取襯底波導光，但是這些結構會導致像素模糊或引起角度依賴性發(fā)光，因此不適用于高分辨率顯示。為此，該研究通過在頂發(fā)射QLED的結構中引入雙IZO相位調諧層，并優(yōu)化其厚度使得QLED的出光耦合效率突破45%。通過進一步在頂部IZO電極上配備金屬輔助電極，顯著的提升了QLED的電流密度和功率效率。此外，還通過在器件上旋涂SiO2納米散射層，有效提取了器件中的波導光，最終實現了效率創(chuàng)紀錄的頂發(fā)射QLED，其外量子效率高達44.5%。頂發(fā)射器件結構和優(yōu)化策略為高效QLED的實現提供了新的方案。

在器件機制方面，陳樹明課題組近期揭示了過剩電子對藍光QLED的破壞作用，相關研究以“Electron‐induced degradation in blue quantum‐dot light‐emitting diodes”為題發(fā)表在 Advanced Materials 上。

通過在藍光QLED運行期間原位監(jiān)測器件中的藍光量子點以及空穴傳輸層的光致發(fā)光的變化情況，觀察到藍光量子點以及空穴傳輸層的發(fā)光性能逐步下降。進一步對單電子及單空穴器件進行分析，發(fā)現當電子注入到藍光量子點時，藍光量子點的發(fā)光性能迅速下降。通過表征藍光量子點表面配體的變化情況，發(fā)現注入的電子會導致藍光量子點表面油酸配體的脫落，從而導致藍光量子點出現不可逆轉的損害。此外，器件中積累的過量電子，會泄漏至空穴傳輸層，導致空穴傳輸層發(fā)生電化學反應，產生降解，從而進一步加劇藍光QLED的老化。此研究深入揭示了藍光QLED的穩(wěn)定性與器件中積累的電子、藍光量子點的表面配體和空穴傳輸層之間強烈的依賴關系，這有助于研究人員進一步制定有效的設計策略，改善藍光QLED的使用壽命。

以上四項研究的第一作者分別為南方科技大學電子與電氣工程系2021級博士生王基銘、2018級博士生張恒、2021級碩士生李浩濤、博士后高佩麗，通訊作者為陳樹明，南科大為論文第一單位。研究分別得到了國家自然科學基金面上項目、深圳市基礎研究項目的資助。論文鏈接：
1. https://www.nature.com/articles/s41467-024-47891-4
2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202312334
3. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300371
4. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202309123 

查詢進一步信息，請訪問官方網站http://newshub.sustech.edu.cn/html/202404/45176.html。（Robin Zhang，產通數造）    （完）