近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系陳樹(shù)明副教授課題組，提出了一種量子點(diǎn)-有機(jī)疊層發(fā)光二極管（LED）的新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單顆LED發(fā)射紅、綠、藍(lán)、白及任意色彩的功能，以一當(dāng)多，有望可取代傳統(tǒng)紅、綠、藍(lán)LED，提高顯示屏的分辨率及開(kāi)口率。相關(guān)論文以“Quantum-dot and organic hybrid tandem light-emitting diodes with multi-functionality of full-color-tunability and white-light-emission”為題發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。
量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）因具有色純度高、可溶液加工等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前，QLED顯示屏仍未能得到產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)，其主要原因有：（1）藍(lán)光QLED穩(wěn)定性差、壽命短；（2）紅、綠、藍(lán)發(fā)光層的圖形化技術(shù)如噴墨打印技術(shù)還不成熟。針對(duì)上述問(wèn)題，陳樹(shù)明課題組提出采用穩(wěn)定性更好、已成功得到商業(yè)化應(yīng)用的藍(lán)光OLED代替藍(lán)光QLED，并采用疊層的器件結(jié)構(gòu)，將OLED及QLED集成在一起，該疊層器件的發(fā)光層無(wú)需圖形化，即可發(fā)射任意色彩。
圖1.多功能疊層LED的器件結(jié)構(gòu)圖。
如圖1所示，該疊層器件的核心是引入了導(dǎo)電且透明的IZO作為中間電極，通過(guò)將中間IZO電極引出，該疊層器件可工作于并聯(lián)模式或串聯(lián)模式。當(dāng)工作于并聯(lián)模式并被交流電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，黃色QLED會(huì)被負(fù)脈沖點(diǎn)亮，藍(lán)色OLED會(huì)被正脈沖點(diǎn)亮，因此疊層器件會(huì)交替發(fā)出黃色和藍(lán)色兩種顏色的光。通過(guò)在黃色QLED的發(fā)光層中引入紅、綠互混的量子點(diǎn)，黃色QLED的發(fā)光顏色會(huì)隨驅(qū)動(dòng)電壓的增大而逐漸從純紅色向純綠色轉(zhuǎn)變（圖2(a)）。因此黃色QLED器件的發(fā)光顏色可以由驅(qū)動(dòng)電壓的大小來(lái)控制。通過(guò)簡(jiǎn)單的改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的極性及幅值，該疊層LED可以交替發(fā)射紅、綠和藍(lán)三基色，其中藍(lán)色由正脈沖控制，紅色和綠色由負(fù)脈沖的幅值控制。如果正、負(fù)脈沖的切換頻率大于60 Hz，還可以將分時(shí)輸出的藍(lán)光和紅、綠光混合成任一色光；而通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓的幅值及脈寬，可調(diào)節(jié)任一色光的亮度。圖2（b）到（d）分別為交流驅(qū)動(dòng)器件發(fā)光顏色從紅到綠、藍(lán)到紅、藍(lán)到橙和藍(lán)到綠變化的CIE坐標(biāo)圖、交流電壓信號(hào)圖和電致發(fā)光光譜圖。
圖2.（a）黃色QLED器件發(fā)光顏色隨電壓變化的原理圖。（b）到（d）分別為交流驅(qū)動(dòng)器件發(fā)光顏色從紅到綠、藍(lán)到紅、藍(lán)到橙和藍(lán)到綠變化的CIE坐標(biāo)圖、交流電壓信號(hào)圖和電致發(fā)光光譜圖。
此外，當(dāng)器件工作于串聯(lián)模式，藍(lán)色OLED和黃色QLED同時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)高效率白光發(fā)射。如圖3（a）到（d）所示，在直流驅(qū)動(dòng)下，該白色疊層LED的外量子效率和亮度分別高達(dá)26.02%和107000 cd/m2。當(dāng)器件被交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)白光時(shí)，通過(guò)調(diào)控交流電壓信號(hào)，不僅可以精確調(diào)節(jié)白光光譜的色溫（1500~10000 K），還可以使白光的亮度任意可調(diào)（1000~50000 cd/m2）而光譜幾乎維持不變，這為解決白光光譜穩(wěn)定差的問(wèn)題提供了一條新的思路。
圖3.（a）到（d）為直流驅(qū)動(dòng)時(shí)的疊層白光器件的光電性能。（e）到（g）為交流驅(qū)動(dòng)時(shí)的疊層白光器件的光學(xué)性能。
所提出的全色可調(diào)疊層LED，只需要變化驅(qū)動(dòng)條件，單顆LED即可輸出亮度可控的紅、綠、藍(lán)及任意色光。因此，單顆全色可調(diào)疊層LED，可以時(shí)分多用，以一當(dāng)多，作為全彩顯示的紅、綠、藍(lán)像素，可顯著的提高全彩顯示屏的像素密度（分辨率）、開(kāi)口率及亮度。另外，所提出的高效率、高亮度、色溫可控的白光疊層LED可應(yīng)用于固態(tài)照明領(lǐng)域。相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)?02010343921.3）。
博士生張恒為該論文第一作者，陳樹(shù)明為論文唯一通訊作者，南方科技大學(xué)為論文唯一通訊單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)面上基金，廣東省自然科學(xué)杰出青年基金的資助。
近年來(lái)，陳樹(shù)明課題組在疊層QLED、高效率高亮度QLED取得了一系列的成果：發(fā)展系列新型高效電荷產(chǎn)生層，開(kāi)發(fā)可溶液加工、對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光層無(wú)損的疊層器件新制備工藝，實(shí)現(xiàn)外量子效率分別超過(guò)23.1%，27.6%，21.4% 及23.4%的紅、綠、藍(lán)、白四色QLED (ACS Nano, 12, 697-704,2018; Advanced Functional Materials, 27, 1700610, 2017)；發(fā)展了Mg摻雜ZnO的新型電子傳輸層，建立了量子點(diǎn)摻雜等抑制激子淬滅的新策略，提出了配體修飾、熱量管理等抑制效率滾降的新方法，實(shí)現(xiàn)了亮度超過(guò)160萬(wàn)尼特的超亮高效QLED (ACS Nano, 13, 11433-11442, 2019)。
相關(guān)論文鏈接：
Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16659-x
ACS Nano, 12, 697-704 (2018).ESI高被引論文
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b07867
Advanced Functional Materials, 27, 1700610 (2017).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201700610
Advanced Science, 5(10), 1800549 (2018).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201870058
ACS Nano, 13(10), 11433-11442 (2019).
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b04879
