量子点发光二极管QD-LED（Quantum Dot Light Emitting Diodes）具有色域覆盖广、溶液加工成本低和低电压下亮度和效率高的优势，是下一代显示技术的有力竞争者。QD-LED的发光效率是一个至关重要的性能指标，提高QD-LED内量子效率和外量子效率是提高其发光效率的两个基本出发点。目前QD-LED器件的内量子效率已趋于极限（100%），但其低出光效率（外耦合效率，一般而言低于30%）使得外量子效率难以有效提升。将各向异性的量子点排列起来，调控量子点中跃迁偶极矩取向以增加垂直于器件衬底的光子发射是提高外耦合效率的有效途径。然而，采用各向异性量子点排列的LED辐射复合效率较低，光子外耦合效率的增加被内量子效率的损失所抵消。由此，需要找到一种可行的偶极取向策略，在不影响内量子效率的情况下提高外耦合效率。
针对上述问题，申怀彬教授与中国科学技术大学樊逢佳教授、杜江峰院士等人合作，利用混合相CdZnSeS量子点中的偶极-偶极相互作用使量子点有效排列，有效增强了发光二极管中的光子外耦合效率。本研究开发出一种新型的多型晶体结构的量子点，使用纤锌矿CdZnSe核作为结构模板来外延生长纤锌矿ZnS壳层，得到了纤锌矿与闪锌矿ZnS共存的多型晶体结构量子点（图1）。强离子性的纤锌矿ZnS提供了排列量子点所需的大电偶极矩；闪锌矿ZnS部分影响电子结构，从而促进每个量子点的取向发光，两方面结合实现了跃迁偶极矩取向的调控。背焦面成像等手段确认了此量子点材料的跃迁偶极矩取向，具有79%的面内偶极矩占比（图2）；使用该量子点制备的QD-LED表现出超高的效率和稳定性（外量子效率35.6%，1000 cd m-2亮度下T95寿命:40，900小时）（图3）。
图1.具有大永久偶极矩的多型晶体结构量子点的合成
图2.多型晶体结构量子点取向的表征
图3.QD-LED器件的仿真与实验结果
上述研究成果以“Dipole–dipole-interaction-assisted self-assembly of quantum dots for highly efficient light-emitting diodes”为题，发表在Nature Photonics杂志上。中国科学技术大学博士研究生徐淮豫，河南大学博士研究生宋姣姣、硕士研究生周鹏豪，中国科学技术大学博士研究生宋杨，多伦多大学徐健为共同第一作者；河南大学申怀彬教授、中科大杜江峰院士、多伦多大学Edward H. Sargent教授、中科大樊逢佳教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委-区域创新发展联合基金、国家重点研发计划、河南大学青年科研团队项目等项目支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01344-4
申怀彬，国家优青，河南省特聘教授，河南省优秀专家，中原科技创新领军人才。主要从事量子点发光材料及其电致发光器件（QD-LED）方向研究，创下三基色QD-LED亮度、效率、寿命等多项关键指标国际记录；共发表SCI论文160余篇，以第一/通讯作者累计发表SCI论文82篇；近五年，以第一/通讯作者共发表包括Nat. Photonics 2篇，Nat. Nanotechnol. 1篇，Nat. Commun. 1篇，Nano Lett. 5篇等在内的SCI论文40余篇，ESI高被引论文9篇；主持国家重点研发计划，国家自然科学基金委区域联合基金重点项目，国家自然科学基金-优秀青年项目等在内的国家级项目6项；授权国家发明专利23项，技术转让7项。成果入选“中国光学十大进展”，入选国家自然科学基金委简报上报中共中央办公厅等中央部门。
