河南大学，第一单位发Nature！

在这里，河南大学申怀彬教授、陈斐博士、中国科学技术大学樊逢佳教授、北京交通大学唐爱伟教授通过使用电激发瞬态吸收光谱，他们发现最先进的绿色无镉QD-LED（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。他们通过实验和理论证明，用加厚的ZnSe中间层替换目前广泛使用的ZnSeS中间层可以同时改善电子注入和降低泄漏，从而可以在543nm发射的绿色InP基QD-LED中实现26.68%的峰值外部量子效率和1241小时的T₉₅寿命（亮度降至初始值的95%的时间）在1000cdm^–2的初始亮度下-分别超过之前的最佳值的1.6倍和165倍。相关研究成果以题为“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”发表在最新一期《Nature》上。河南大学为本文第一单位，值得一提的是，这也是河南大学首次以第一单位发表Nature论文。

【电子浓度测量】

作者使用电激发瞬态吸收光谱(EETA)研究电子注入动力学，这是一种由传统光激发瞬态吸收技术的方法改善而来。EETA专注于测量电激发下的漂白光谱，该光谱表示电子和空穴的数量。EETA光谱表明，对于绿色InP–ZnSeS–ZnSQD-LED，在4V电压下测得的平均电子布居数()为0.09，显着低于在615nm发射的红色InPQD中观察到的0.5。这一对比表明绿色QD-LED存在电子注入不足的问题。对于基于Cd的QD，这些值随波长逐渐减小：红色（=0.45，636nm）、绿色（=0.26，529nm）和蓝色（=0.15）473nm）。这些趋势与EQE测量结果一致，其中绿色InP量子点与基于Cd的器件相比表现出更陡峭的下降。InP 基 QD与Cd基QD相比，由于其导带最小值更高，因此具有更高的注入势垒。与PETA相比，EETA光谱中基态漂白信号的饱和度明显较低，表明电子泄漏明显且陷阱饱和度不足。对于绿色量子点，12.52%的低EQE（相比之下红色为21.71%）与其低电子浓度相关，这不能使陷阱态充分饱和以有利于辐射复合。图1a-c详细介绍了EETA实验设置并比较了不同波长下的漂白信号。不同波长的电子数量差异强调了绿色InP QD中较差的电子行为。图1d生动地说明了基于InP的绿色量子点的急剧下降，表明效率严重低下。

图1.EETA光谱

【增加电子浓度】

作者探索了两种增加电子注入和提高EQE的策略：减少ZnSeS壳中的ZnS含量和加厚ZnSe中间层。随着ZnS含量从50%下降到14%，电子布居()逐渐增加。例如：当 ZnS 含量为 50% 时， 为 0.12。当ZnS含量为14%时，达到0.20。这种增强使峰值 EQE 从 7.43% 提高到 15.12%，尽管仍低于红色量子点的效率。ZnSe 厚度从 2.5 nm 逐渐增加到 4.5 nm：在 2.5 nm 处，由于泄漏较高，电子浓度较低。在 4.0 nm 处，泄漏最小化，EQE 达到 26.68%，这是绿色 InP QD-LED 记录的最高效率。使用 4.5 nm ZnSe 壳时，虽然泄漏进一步受到抑制，但光致发光量子产率 (PLQY) 下降至 90.5%，而 4.0 nm 时为 94.5%，使得 4.0 nm 成为最佳厚度。

图2.改善绿色InP基QD-LEDEQE的策略

【量子隧道模型】

作者使用 WKB 量子隧道框架对实验数据进行建模，以解释电子注入和泄漏机制。减少 ZnS 比例会增加锡注入和泄漏。然而，由于 Tleakage 的增长率与 Tinjection 相当，因此总体效率提升不大。增加 ZnSe 厚度会降低锡注入和泄漏。与 Tinjection 相比，Tleakage 的急剧下降对于抑制泄漏和实现更高的 EQE 至关重要。对于 2.5 nm ZnSe 壳，Tinjection 与 Tleakage 的比率相对较低，限制了效率。使用 4.0 nm ZnSe 壳时，Tinjection 与 Tleakage 的比率达到峰值，从而使 EQE 最大化。进一步增厚至 4.5 nm 会因 PLQY 略低而导致效率降低。

图3.QD-LED中电子注入和泄漏的隧道模型

【高性能QD-LED】

最终优化的4.0 nm ZnSe壳器件表现出破纪录的性能：EQE达到26.68%，电流效率为112.56 cdA⁻¹。最大亮度为277000 cdm⁻²。使用寿命（T₉₅，1000 cdm⁻²）：1241小时（比以前的设备提高了165倍）。100cdm⁻²下的T₅₀：相当于508000小时，超过之前记录的八倍。低开启电压(2.1V)证明了高效的电荷注入。卓越的再现性得到证实，25台设备的平均EQE为25%。图4a的电压-亮度-电流密度曲线突出显示了子带隙开启电压和高亮度。图4b中EQE和电流效率图表展示了创纪录的性能指标。图4d-f通过将新器件与之前最先进的QD-LED进行比较，显示出在效率和稳定性方面的巨大进步。

图4.高性能InP-厚ZnSe-ZnSQD-LED的表征

【总结】

本文系统地确定了ZnSeS中间层是绿色InP基QD-LED的瓶颈。主要结论包括：用ZnSe代替ZnSeS壳可以减少注射势垒。优化ZnSe厚度可抑制电子泄漏，同时保持高效注入。这些策略实现了绿色InPQD-LED的最高EQE(26.68%)和运行稳定性(T₉₅>1000小时)。WKB隧道模型提供了一个强大的理论框架，表明类似的设计原理可以增强其他低效率QD-LED，例如蓝色发射器。