【產(chǎn)通社，4月14日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，其電子與電氣工程系陳樹明教授課題組在國際學(xué)術(shù)期刊 Science Advances 上發(fā)表了題為“Nanosecond-pulsed electroluminescence from high current driven quantum-dot light-emitting diodes”的研究論文。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出超快響應(yīng)的量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED），實(shí)現(xiàn)了納秒級、高能量的光脈沖輸出。

具有高瞬時(shí)功率的超短光脈沖，在超快光電子學(xué)、超快光譜學(xué)、高分辨率快速成像顯微鏡和材料加工中具有廣泛的應(yīng)用。通常，納秒到飛秒范圍內(nèi)的超短光發(fā)射是通過激光器獲得的，而激光器價(jià)格昂貴。如果能在 LED 中實(shí)現(xiàn)超短光脈沖輸出，則可大幅度的降低成本。研究團(tuán)隊(duì)通過利用電阻電容等效電路對 QLED 進(jìn)行建模，并分析電路的瞬態(tài)電流，揭示了載流子注入和傳輸過程對 QLED 瞬態(tài)電致發(fā)光的根本影響。這些發(fā)現(xiàn)有助于指導(dǎo)快速響應(yīng) QLED 的優(yōu)化。在大電流源的驅(qū)動下，優(yōu)化后的 QLED 可以輸出穩(wěn)定且可重復(fù)的超短電致發(fā)光（EL），脈沖持續(xù)時(shí)間為 20 ns，重復(fù)頻率為 50 kHz，輸出功率高達(dá) 5.4W/cm2。得益于 ns 脈沖 EL 技術(shù)，所開發(fā)的 QLED 可以直接用作時(shí)間分辨熒光光譜的瞬時(shí)光源。同時(shí)，它也可以用作高速成像的閃光燈以實(shí)現(xiàn)常規(guī)手段難以捕捉的超高速瞬間成像。這表明 QLED 在諸如激光泵浦、超快光譜學(xué)、飛行時(shí)間測量和高速成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖1展示了 QLED 的電阻-電容等效電路模型及其瞬態(tài)電流（transient current, TRC）分析結(jié)果。通過這種建模方法，研究團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確地描述載流子在 QLED 中的注入和傳輸過程。當(dāng)施加電壓脈沖時(shí)，電子首先被注入到量子點(diǎn)中，隨后空穴也開始注入。空穴在 TFB 及 QDs 的輸運(yùn)和復(fù)合決定了EL的時(shí)間延遲（td）和上升時(shí)間（tr），從而影響 EL 的響應(yīng)速度。通過提高 TFB 和 QDs 的空穴遷移率，或增加施加在 TFB 和 QDs 上的電場強(qiáng)度，可以增強(qiáng)空穴速度，從而縮短空穴穿越時(shí)間。此外，應(yīng)減少 Rs 和 ETL 的電阻，使外加電壓主要落在 TFB 和 QDs 上，以加速空穴漂移。

圖2展示了通過增強(qiáng)空穴遷移率、降低 Rs 及 ETL 電阻，進(jìn)而使得電流提升，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的 EL。通過減小發(fā)光面積，降低了橫向傳輸電阻，可顯著增強(qiáng)器件的電流。進(jìn)一步通過熱量管理，將玻璃基板替換為熱導(dǎo)率更高的硅，可有效降低器件的熱量積累，最終提升器件的電流。此外，通過在 IZO 頂電極周圍添加輔助電極，降低傳輸線電阻，也可使器件的電流提升3.7倍。最后，通過后退火處理，使金屬電極和 ETL 的接觸更緊密，降低了電子的注入勢壘，最終使電流在8 V下提高到2760 mA/cm2，并使 EL 的 Tr 從1500 ns大幅減少到300 ns。

最終優(yōu)化的快速響應(yīng) QLED 器件結(jié)構(gòu)如圖 3A所示。在35 V高壓脈沖的驅(qū)動下，QLED 快速響應(yīng)，EL 的上升時(shí)間僅為10 ns，且能穩(wěn)定的輸出脈寬僅為20 ns 的 EL，最大輸出功率達(dá)5.4 W/cm2，且具有較好的輸出穩(wěn)定性，經(jīng)過10天的連續(xù)測試后（每天連續(xù)輸出107個(gè)光脈沖），EL 的強(qiáng)度僅下降到初始值的80%。

研發(fā)的 QLED 能夠輸出納秒級（20 ns）的超短光脈沖，因此該 QLED 可作為時(shí)間分辨熒光光譜儀的瞬時(shí)激發(fā)源，在超短時(shí)間內(nèi)提供一個(gè)熒光激發(fā)信號。圖 4展示了使用 QLED 激發(fā)熒光樣本時(shí)，所得到的時(shí)間分辨熒光信號。自制系統(tǒng)的測量結(jié)果與使用商用愛丁堡FS5熒光光譜儀測得的結(jié)果非常吻合，表明系統(tǒng)具有較高的可靠性。這也表明所研發(fā)的 QLED 有潛力可取代昂貴激光器，應(yīng)用于超快光譜的研究。

研發(fā)的 QLED 能夠輸出納秒級（20 ns）的超短光脈沖，使該 QLED 可用作高速成像中的快速曝光閃光燈。高速攝影常用于捕捉快速移動物體的圖像，例如落下的水滴、高速飛行的物體等。通常，高速攝影依賴于快速快門，其速度可以超過每秒1000次，以凍結(jié)肉眼無法察覺的瞬間。但是目前沒有快速快門能夠捕捉發(fā)生在 ns 級的瞬態(tài)過程。借助 ns 脈沖曝光閃光燈，物體僅在 ns 時(shí)間內(nèi)曝光，因此即使普通相機(jī)也能捕捉到發(fā)生在 ns 級的瞬態(tài)過程。圖 5中展示了使用 QLED 進(jìn)行高速成像時(shí)的曝光效果，通過將恒定照明替換為20 ns 脈沖閃光，可以在超短的時(shí)間內(nèi)迅速“凍結(jié)”快速下落的水滴運(yùn)動。與傳統(tǒng)閃光燈相比，QLED 的優(yōu)勢在于其低廉的成本和超快的響應(yīng)性能。    （完）