基于绿色磷化铟（InP）的量子点发光二极管（QD-LED），仍然存在效率低和工作寿命短的问题，这对完全无镉的QD-LED显示和照明构成了严峻的挑战。
不幸的是，造成这些限制的因素仍然不清楚，因此没有明确的设备工程指导方针。
在此，来自北京交通大学的唐爱伟、中国科学技术大学的樊逢佳以及河南大学的陈斐&申怀彬等研究者通过电激发瞬态吸收光谱，发现最先进的绿色无镉QD-LEDs（普遍采用InP-ZnSeS-ZnS核-壳-壳结构）的低效率源于ZnSeS中间层，因为它施加了高注入势垒，限制了电子浓度和陷阱饱和度。相关论文以题为“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”于2024年11月20日发表在Nature上。
图源：Nature
量子点发光二极管（QD-LEDs），由于其高量子效率和优异的单色性，有望成为下一代显示和照明的领先技术。目前最先进的QD-LEDs使用基于镉（Cd）的II-VI量子点（QDs），但有毒的Cd元素限制了其实际应用。
基于InP、ZnSe和ZnTeSe的QDs被认为是Cd基QDs的理想无毒替代品，并且在这些QDs实现高效率和稳定性方面已经取得了显著进展。例如，基于InP的红色QD-LEDs和基于ZnTeSe的蓝色QDs的峰值外量子效率（EQEs）超过20%。
然而，尽管在材料和器件工程方面做出了巨大努力，使用基于InP的绿色QDs的无镉QD-LEDs仍然具有较低的EQE（16.3%），对实现完全无镉QD-LEDs显示和照明构成了重大挑战。
与基于CdSe的QDs相比，基于InP的QDs的电子有效质量较低（0.077m0与0.13m0，其中m0表示真空中自由电子的质量），这应该使电子注入更容易。然而，InP的导带最小值较高。这可能导致较高的电子注入势垒，特别是在基于InP的绿色QD-LEDs中。
这些相互交织的因素，使得这些器件中的电子行为复杂化。到目前为止，对于InP基QD-LEDs中的电子是否过多或不足，还没有达成共识，这需要完全相反的器件工程策略。因此，直接测量运行中的QD-LEDs中的电荷载体至关重要，但现有的表征方法仍然具有挑战性。
在本文中，研究者使用电激发瞬态吸收（EETA）来量化运行中的基于InP的绿色QD-LEDs中的电子浓度。通过比较基于InP和性能优异的基于CdSe的QD-LEDs在不同波长下的发射，研究者发现，由于ZnSeS中间层施加的高注入势垒，最先进的基于InP的绿色QD-LEDs（普遍使用InP-ZnSeS-ZnS核-壳-壳QDs）中的电子浓度异常低。
因此，辐射复合并不比非辐射捕获更有效，导致量子效率低和寿命短。研究者建议通过用ZnSe替换广泛使用的ZnSeS合金中间层来增加QDs中的电子浓度。然而，这会导致电子泄漏增加。
研究者进一步建议增加ZnSe层的厚度，以减少泄漏并保持高效的注入。这一策略使研究者能够在基于InP的绿色QD-LEDs中实现26.68%的峰值EQE、超过270,000 cd/m2的亮度以及在初始亮度为1,000 cd/m2时的1,241小时T95寿命，发射波长为543 nm，据研究者所知，这更新了所有当前记录。这些实验结果可以通过Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）量子隧穿模型很好地解释。
图1 EETA光谱学。
图2 提高绿色InP基QD-LEDs EQE的策略。
图3 QD-LEDs中电子注入和电子泄漏的隧穿模型。
图4 高性能InP厚ZnSe-ZnS量子二极管的表征。
（以上图源：均自Nature）
综上所述，通过使用EETA光谱学，研究者确定了目前研究最广泛的绿色InP-ZnSeS-ZnS QD-LEDs效率低的原因——即由低电荷浓度引起的陷阱饱和不足。鉴于高注入势垒主要来自ZnSeS中间层，研究者采用纯ZnSe中间层以促进电子注入。
然而，这导致了电子泄漏的增加。研究者进一步增加了ZnSe中间层壳层以减少泄漏，最终实现了前所未有的26.68%的EQE和超过1,000小时T95寿命（在初始亮度为1,000 cd/m2时），这两个值对于基于InP的绿色QD-LEDs来说都是前所未有的。
这一策略可以通过WKB量子隧穿模型合理地解释，研究者预测它还可以扩展到其他具有低电子浓度的QD-LEDs，如蓝色QD-LEDs。降低壳层能量势垒和增加壳层厚度应该是重要的初步尝试。
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