綠光磷化銦（lnP）量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QD-LED）面臨著效率低和壽命短的問題，因此如何開發(fā)不含鎘（Cd）的QD-LED和照明器件仍受到阻礙。但是，目前人們并不清楚導(dǎo)致效率低和壽命短的主要原因。有鑒于此，河南大學(xué)申懷彬教授、陳斐、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)樊逢佳教授、北京交通大學(xué)唐愛偉教授等報(bào)道通過電化學(xué)激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜（electrically excited transient absorption spectroscopy），發(fā)現(xiàn)目前最好的QD-LED（核-殼-殼結(jié)構(gòu)的InP–ZnSeS–ZnS）低效率問題的原因是中間層ZnSeS產(chǎn)生的，其具有更高的勢壘，限制了電子濃度以及陷阱的飽和。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，增加ZnSe中間層的厚度，并且替代目前常用的ZnSeS，能夠改善電子注入并且同時(shí)抑制泄露，實(shí)現(xiàn)了26.68%的峰值量子效率和1241h的T95壽命，性能達(dá)到報(bào)道的結(jié)果的1.6倍和165倍。亮度超過270000cd m-2，數(shù)值達(dá)到目前的紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠使用量子WKB隧穿模型（Wentzel–Kramers–Brillouin）解釋。 通過電化學(xué)激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜（EETA）觀測QE-LED中的電子性質(zhì)，這種技術(shù)使用電化學(xué)激發(fā)電子，而不是激光。EETA技術(shù)能夠表征量子點(diǎn)和其他層內(nèi)的電子和空穴淬滅過程，是一種非常好的技術(shù)能夠觀測QE的電子性質(zhì)。測試電子布居數(shù)目（<Ne>）。通過比較EETA光譜和PETA光譜的淬滅過程，能夠從EETA光譜得到<Ne>。分別測試了紅色、綠色、藍(lán)色的Cd基QD-LED，發(fā)現(xiàn) <Ne>在4V分別為0.45、0.26、0.15，對(duì)應(yīng)于量子效率分別為27.11%、23.20%、21.00%。作者根據(jù)ABC模型J = An+Bn2+Cn3解釋QE性質(zhì)。隨后發(fā)現(xiàn)InP–ZnSeS–ZnS QD-LED遵循同樣規(guī)律，但是比CdSe QE-LED具有更加顯著的降低。對(duì)紅色光和綠色光的分別為0.50和0.09。因此，綠光InP QD-LED的低效率主要原因是電子濃度低。根據(jù)ABC模型，難以克服電子俘獲的能量損失。作者通過減少電子注入的勢壘，提高電子濃度，改善InP QE-LED在540nm的綠光壽命。首先，嘗試了逐步降低ZnSeS中間層的ZnS成分，同時(shí)保持厚度為2.5nm，并且ZnS外層（0.5nm）不變。EETA光譜表征結(jié)果表明，ZnS含量減少，<Ne>逐漸增加，導(dǎo)致量子效率從7.43%增至15.12%。但是這個(gè)量子效率仍然難以達(dá)到紅色lnP QD-LED。圖2. 改善InP QD-LED綠色光量子效率的方法研究發(fā)現(xiàn)ZnSe中間層的ZnS成分減少，導(dǎo)致空穴濃度降低，這是因?yàn)榭昭ㄗ⑷氲玫礁纳啤６遥l(fā)現(xiàn)空穴漂白測試結(jié)果的異常減少，這導(dǎo)致更多的電子泄露。因此，電子泄露的增加導(dǎo)致增加電子濃度對(duì)改善量子效率的效果非常有限。隨后，通過增加ZnSe中間層的厚度改善量子效率。通過EETA光譜表征發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ZnSe殼層的厚度減少，電子濃度只有少量降低，但是與2.5nm ZnSeS殼的QE LED對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ZnSe中間層內(nèi)的電子濃度顯著改善。因此，通過這種方法，綠色lnP QD-LED的量子效率突破25%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，降低ZnSeS中間層的ZnS比例可以更有效的電子注入。但是同時(shí)增加了電子泄漏，導(dǎo)致量子效率的提升非常有限。相比，增加ZnSe中間層的厚度能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率的電子注入和較低的電子泄漏，因此顯著的增強(qiáng)綠色I(xiàn)nP基QD LED的量子效率。這個(gè)現(xiàn)象能夠通過WKB量子隧穿模型解釋。根據(jù)WKB鏈子隧穿模型，比較了2.5nm ZnSeS、2.5nm ZnSe、4.5nm ZnSe中間層的QE LED量子點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)ZnSeS中間層內(nèi)的ZnSe含量降低，能夠顯著增加Tinjection和Tleakage。這與改善量子效率的效果非常有限相符。但是，當(dāng)使用純ZnSe中間層同時(shí)提高中間層的厚度，發(fā)現(xiàn)Tinjection和Tleakage都降低，而且Tleakage的降低比Tinjection的降低更加顯著，因此Tinjection/Tleakage增加。這個(gè)現(xiàn)象使得量子效率發(fā)生顯著的改善。測試ZnSe中間層厚度為4.0nm的QD-LED。由于高效率的電子注入，器件表現(xiàn)了低于帶隙的啟動(dòng)電壓，而且由于電子泄露較低，實(shí)現(xiàn)了26.68%的量子效率，112.56cd A-1的電流效率，277000cd m-2的最大亮度。這些參數(shù)是綠色I(xiàn)nP量子點(diǎn)的最高數(shù)值。 圖4. InP厚層ZnSe-ZnS QD-LED的性能在3.0V和9.0mA cm-2電流密度時(shí)，亮度高達(dá)6718cd m-2，在這個(gè)亮度的T90和T50分別達(dá)到35.9h和203h。100cd m-2的T95壽命達(dá)到89900h，T50壽命達(dá)到1241h。這不僅比其他殼層量子點(diǎn)器件的性能更高，而且性能達(dá)到報(bào)道的InP QE-LED的165倍。在100cd m-2的T50達(dá)到50800h，比目前最高的結(jié)果高8倍。Bian, Y., Yan, X., Chen, F. et al. Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08197-zhttps://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
