南科大电子系陈树明课题组在QLED领域连获突破
近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授陈树明课题组在量子点发光二极管（QLED）领域取得了一系列显著进展，其研究成果已相继在学术期刊《Nature Communications》、《Advanced Materials》、《Laser & Photonics Reviews》及《Advanced Materials》上发表。在器件驱动方面，陈树明课题组创新性地提出了一种即插即用（PnP, plug-and-play）的QLED结构。这种PnP-QLED结构无需依赖任何驱动电路，便可直接由220 V/50 Hz家用交流电驱动发光。相关研究分别以“Household alternating current electricity plug-and-play quantum-dot light-emitting diodes”和“220 V/50 Hz compatible bipolar quantum-dot light-emitting diodes”为题，在《自然-通讯》和《先进材料》期刊上发表。
在器件结构方面，课题组又提出了一种新型的顶发射结构，成功实现了外量子效率高达44.5%的高效顶发光QLED。该研究成果以“Highly efficient top-emitting quantum-dot light-emitting diodes with record-breaking external quantum efficiency of over 44.5%”为题，在《激光&光子学评论》上发表。
在器件机制方面，课题组还深入揭示了过剩电子对蓝光QLED的破坏作用，相关研究成果以“Electron‐induced degradation in blue quantum‐dot light‐emitting diodes”为题，在《先进材料》期刊上发表。
QLED因其发光色彩可调、色纯度高、制备成本低等显著优点，在下一代柔性、印刷显示及固态照明领域展现出巨大的潜在应用前景。然而，传统的基于p-n二极管结构的QLED通常仅能在直流电流（DC）下工作，这限制了其在实际应用中的便利性。为了解决这一问题，陈树明课题组开发出一种由多个叠层QLED串联集成的PnP-QLED。这种新型QLED不仅可以直接使用220 V/50 Hz家用交流电驱动，还具备高效率、高亮度、长寿命的显著优点，有望推动QLED在低成本、高性能固态照明光源领域的广泛应用。
此外，课题组还详细阐述了叠层QLED的工作原理和优势。通过底部器件B-QLED和顶部器件T-QLED的垂直堆叠和共享中间透明导电氧化铟锌（IZO）电极的设计，叠层QLED在交流电驱动下能够实现持续稳定发光、高效率长寿命以及宽频兼容等显著优点。这些创新性的研究成果为QLED在固态照明领域的进一步发展提供了有力支持。
图 1：(a) 叠层QLED结构及直流和交流驱动模式示意图；(b) 不同驱动条件下，叠层QLED的发光图像
为了推动叠层QLED在实际家居环境中的应用，本研究致力于实现其直接接入220V家用高压交流电的功能。为此，我们采取了将多个叠层QLED串联连接的策略，有效提升了器件阵列的驱动电压，进而使得照明面板能够无缝对接220V/50Hz的家用交流电源。
如图2a详细展示，我们设计的即插即用QLED（PnP-QLED）结构中，两个叠层QLED通过中间的IZO电极实现串联。这一创新设计不仅优化了器件的电气性能，还为其在实际应用中的便捷性奠定了基础。图2b则进一步验证了PnP-QLED在交流电驱动下的卓越表现，其能够保持持续且稳定的发光状态，显著增强了光源的稳定性和可靠性。
值得一提的是，在交流电驱动下，PnP-QLED的运行寿命相较于直流驱动下的QLED提升了50%。这一显著成果不仅凸显了PnP-QLED在延长使用寿命方面的优势，同时也证实了其在实现高效率照明方面的潜力。综上所述，PnP-QLED作为一种新型的照明解决方案，有望在未来家居照明市场中占据重要地位。
图 2 ：(a) PnP-QLED 器件结构示意图；(b) PnP-QLED正向和反向驱动电压电路示意图及发光图像；(c) S-QLED和PnP-QLED的PE-L特征曲线
本研究以PnP-QLED为基础构建模块，通过串联不同数量的PnP-QLED，实现了可直接适应不同交流电压的(PnP-QLED)n光源，如图3a所示。具体而言，通过集成30个PnP-QLED，我们成功创建了(PnP-QLED)30光源，其能够直接接入220 V/50 Hz家用交流电，并稳定地发出红光、黄光和白光，如图3d及相关视频资料所示。
为进一步解决交流驱动带来的频闪问题，本研究还采用了双(PnP-QLED)30并联连接的方式，并通过调整其中一个(PnP-QLED)30的交流电输入相位差，实现了光源的稳定输出，从而有效抑制了频闪现象，如图3f所示。此项成果为家用交流电直驱照明光源的实现开辟了新的技术途径。相关技术已申请发明专利（申请号202410116639X）。
本研究的首席研究者为陈树明课题组2021级博士生王基铭，通讯作者为陈树明教授，南方科技大学作为本论文的主要完成单位。同时，本研究得到了国家自然科学基金面上项目以及深圳市基础研究项目的大力资助。
图 3：(a) (PnP-QLED)n的等效电路图；(b) (PnP-QLED)n在220 V交流电驱动下的PE-n特征曲线；(c) (PnP-QLED)30 的PE-VRMS特征曲线；(d) (PnP-QLED)30在不同交流电压驱动下的发光光学图像；(e) 220 V/50 Hz家用交流电驱动下的红光、黄光和白光的(PnP-QLED)30的发光光学图像；(f) (PnP-QLED)30在220 V/50 Hz家用交流电驱动下的瞬态电致发光
陈树明课题组在家用交流电直驱QLED的结构开发方面持续展现出卓越的创新实力。他们成功地提出了共面电极的QLED结构，并基于此开发出了全新的家用交流电直驱QLED。这一重要研究成果已经以“220 V/50 Hz compatible bipolar quantum-dot light-emitting diodes”为题，在享有盛誉的学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表。
该研究巧妙地利用Al电极桥接技术，将正置结构与倒置结构的QLED水平串联，从而创新性地构建出具有驱动电极共面特性的新型器件——CEB-QLED。这种器件不仅能在正偏压或负偏压下稳定运行，更展现出了卓越的外量子效率和亮度性能。此外，通过引入Ag桥接层，研究团队进一步提升了CEB-QLED的亮度表现，实现了高达22.2%的外量子效率和16370 cd/m2的出色亮度，这一成就刷新了双极性器件的性能上限。
值得一提的是，该研究还通过串联多个CEB-QLED器件，实现了直接由220 V/50 Hz家用交流电驱动的光源，省去了额外的驱动电路需求。这一创新为QLED的实用化进程提供了有力支持。
该研究的主要贡献者包括陈树明课题组的2018级博士生张恒（现已毕业，并担任广西大学副教授）以及通讯作者陈树明教授。南科大作为论文的第一完成单位，为研究的顺利进行提供了有力保障。同时，该研究得到了国家自然科学基金面上项目和深圳市基础研究项目的资金支持。
图 4：CEB-QLED的 (a) 原理示意图以及 (b) 等效电路图；(c) CEB-QLED的电学性能；(d) (CEB-QLED)n 的制备流程图以及等效电路图；(e) 220 V/50 Hz家用交流电直接驱动 (CEB-QLED)n的示意图以及发光光学图像
在器件结构领域，陈树明课题组近期展现了一项引人注目的创新——他们成功设计了一种新型的顶发射结构，显著提升了器件的出光效率。这一重要成果已在权威学术期刊《激光&光子学评论》上发表，题为“Highly efficient top-emitting quantum-dot light-emitting diodes with record-breaking external quantum efficiency of over 44.5%”。
传统的底发射QLED在出光效率方面一直存在局限性，主要原因在于器件发射的光子在通过透明衬底（如玻璃）向空气传播时，由于玻璃与空气之间折射率的不匹配，部分光子会在界面处发生全内反射，进而被衬底所波导，导致出光效率降低。尽管已有一些光提取结构如微透镜被用于提取这部分被波导的光，但这些结构往往会引起像素模糊或角度依赖性发光等问题，从而限制了其在高分辨率显示领域的应用。
针对这一问题，陈树明课题组采用了创新的解决方案。他们在顶发射QLED的结构中巧妙地引入了双IZO相位调谐层，并通过优化其厚度，成功将QLED的出光耦合效率提升至超过45%的崭新水平。此外，通过在顶部IZO电极上增设金属辅助电极，他们进一步显著提升了QLED的电流密度和功率效率。为了更有效地提取器件中的波导光，课题组还在器件上旋涂了SiO2纳米散射层。这一系列创新举措最终实现了外量子效率高达44.5%的顶发射QLED，创下了新的效率纪录。这一顶发射器件结构及其优化策略为高效QLED的实现开辟了新的途径。
值得一提的是，该研究的第一作者是李浩涛，他是陈树明课题组2021级的硕士生。通讯作者为陈树明教授，南方科技大学作为论文的第一完成单位。此项研究得到了国家自然科学基金面上项目以及深圳市基础研究项目的慷慨资助。
图 5：(a) 底发射（BE-QLED）和顶发射（TE-QLED）器件结构示意图；(b)不同结构器件的出光耦合效率；(c)不同器件结构在626 nm 波长处的功率耗散谱；(d)在不同底部IZO和顶部IZO厚度下的器件的平均EQE/γ；(e)-(h) 具有纳米散射层和不具有纳米散射层的器件性能对比
在器件机制领域，陈树明课题组近期取得了重要突破，深入揭示了过剩电子对蓝光QLED的破坏作用。这一研究成果已经以“Electron‐induced degradation in blue quantum‐dot light‐emitting diodes”为题，在权威学术期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表。
该研究团队通过精确的原位监测技术，详细观察了蓝光QLED在运行过程中蓝光量子点以及空穴传输层的光致发光变化情况。他们发现，随着器件的运行，蓝光量子点和空穴传输层的发光性能逐渐下降。为了进一步探究这一现象，他们对单电子及单空穴器件进行了深入分析，结果显示，当电子注入到蓝光量子点时，蓝光量子点的发光性能会迅速降低。
通过深入研究蓝光量子点表面配体的变化情况，陈树明课题组发现，注入的电子会导致蓝光量子点表面油酸配体的脱落，进而引发蓝光量子点出现不可逆转的损伤。此外，他们还观察到器件中积累的过量电子会泄漏至空穴传输层，引发电化学反应并导致降解，从而进一步加剧蓝光QLED的老化过程。
这项研究不仅深入揭示了蓝光QLED的稳定性与器件中积累的电子、蓝光量子点的表面配体以及空穴传输层之间的紧密关系，而且为研究人员提供了有力的理论支持和实践指导，有助于他们制定更加有效的设计策略，以延长蓝光QLED的使用寿命。
值得一提的是，该研究的第一作者为高佩丽博士后，通讯作者为陈树明教授，南方科技大学作为论文的第一完成单位。同时，该研究得到了国家自然科学基金面上项目以及深圳市基础研究项目的资助和支持。
图 6：(a) PL-EL测试系统示意图；(b) 蓝光QLED老化前后的PL强度对比；(c) 红光单电子器件与蓝光单电子器件在老化前后的FTIR谱对比及量子点老化机制示意图；(d) 利用sEQEPV谱分析蓝光QLED与红光QLED在老化过程中量子点的变化过程；(e) QLED老化前后的电荷注入示意图；(f) 蓝光QLED中TFB功能层的老化过程及老化机理（来源：南方科技大学）
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