3月20日，中国激光杂志社发布“2019年度中国光学十大进展”（第十五届）。河南大学申怀彬教授、李林松教授、杜祖亮教授等人和中国科技大学张振宇教授的科研成果《兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管》成功入选。申怀彬教授等通过设计合成新型核壳结构量子点，研发了兼具高亮度、高效率和长寿命红绿蓝三基色QLED器件，其中多项性能指标创世界记录，该研究结果有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。
2019年，河南大学与中国科学技术大学等单位合作，在可见光量子点发光二极管（QLED）方面取得突破性进展。该工作通过设计合成新型核壳结构量子点，研发了兼具高亮度、高效率和长寿命红绿蓝三基色QLED器件，其中多项性能指标创世界记录，包括红绿两色的亮度（356,000 cd/m2和614,000 cd/m2）和效率（21.6%和22.9%）、蓝色的亮度（62,600 cd/m2）以及绿色和蓝色器件的寿命（分别为1.7 × 106 h和7000 h）。该研究结果有望加速推进QLED在高亮高效显示和照明领域应用的进程。
20世纪90年代氮化镓基高亮度蓝光LED的突破，开启了LED照明和显示的新时代（三位日本科学家因此贡献获得了2014年诺贝尔物理学奖）。基于半导体量子点的QLED，由于具有更好的单色性、色彩饱和度和较低的制备成本等优点，在显示和照明领域展现出广阔的应用前景。经过近几年的快速发展，其发光亮度、外量子效率（EQE）和寿命等主要性能指标都得到了大幅度提升。但在以往的工作中，器件存在高亮度时效率太低、高效率下亮度太低的矛盾。如何使器件在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域亟待解决的难题，也是制约其在显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。
造成上述“鱼与熊掌不可兼得”困境的主要原因在于，通常QLED发光层中量子点价带能级较深，与空穴传输层不匹配，导致空穴注入效率过低，与电子注入不平衡。针对这一难题，研究团队从发光层量子点的设计入手，基于“低温成核、高温长壳”的技术，合成了荧光量子产率高、稳定性强的硒阴离子贯穿的CdSe/ZnSe新型核壳结构量子点（图1）。这类高质量核壳结构量子点作为发光层，能改善与传输层能级的匹配，有效降低空穴注入势垒，提高载流子的注入效率，克服以往QLED中由于空穴注入不足、电子注入过多所引起的一系列问题，从而大幅度提升器件整体性能。
图1 CdSe/ZnSe核壳结构量子点球差电镜和元素分布
基于这种新结构体系，研究团队获得的红绿蓝三色QLED器件的最高亮度和外量子效率，分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其红、绿两色的亮度和效率以及蓝色的亮度都是目前国际上的最高记录（图2）。该工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝三基色QLED器件。
图2 红绿蓝三色QLED器件性能
为了更精确地描述新型QLED的发光特性，研究团队引入了一个新概念——“有效亮度（EFL）”，定义为峰值EQE与其相对应发光强度的乘积。图3是本工作三色QLED的EFL与文献已报道工作的比较，可以看到，绿色器件的EFL提高了一倍，红蓝两色有近量级的提升。而且，从照明对亮度和效率的要求来看，本工作得到的三色QLED都已超过了相应的阈值。
图3 红绿蓝三色QLED“有效亮度”(EFL)与已有工作比较
器件的稳定性（寿命）是制约其应用的另一个关键因素。该工作研发的新型QLED器件在寿命方面也表现出色，红色和绿色QLED器件的寿命达到1.6× 106 h以上，蓝色的寿命达到7000 h以上，其中绿色和蓝色器件的寿命也是目前的世界最长纪录。
这些研究结果以及所建立的器件模型，不仅在原理上展示了QLED在高亮高效显示与照明领域应用的可能性，也为未来QLED的材料体系设计和器件结构优化提供了新思路。
相关研究成果以Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness andefficiency为题发表在Nature Photonics [ 2019, 13, 192–197]上。河南大学申怀彬教授为该论文第一作者，河南大学杜祖亮教授、李林松教授和中国科技大学张振宇教授为共同通讯作者。
该工作得到国家自然科学基金委和科技部等部门的资助。
“中国光学十大进展评选”由中国激光杂志社发起，经过首轮推荐、初评、终评三个环节，最终20项优秀的光学成果从110项研究进展中脱颖而出，入选2019年度中国光学十大进展（基础研究类与应用研究类各10项）。评选委员会由48位光学与光子学领域的专家组成，综合考虑候选成果的学术价值和应用价值，从候选成果中初评30项进入终评，并以无记名投票方式产生“2019年度中国光学十大进展”。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0364-z
附：2019中国光学十大进展（基础研究类）获奖目录
北京大学：微腔表面对称破缺诱导非线性光学（Nature Photonics, 13, 21–24 (2019)）
深圳大学：近场光学旋涡中的光学斯格明子结构（Nature Physics, 15, 650–654 (2019)）
浙江大学：首个三维光学拓扑绝缘体（Nature, 565, 622–626 (2019)）
华中科技大学：高效稳定非铅卤化物双钙钛矿暖白光（Nature, 563, 541–545 (2018)）
河南大学：兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管（Nature Photonics, 13, 192-197 (2019)）
复旦大学：双层三碘化铬中由层间反铁磁诱导的非互易二次谐波（Nature, 572, 497–512 (2018)
中科院上海光机所：首次利用台式化高重频飞秒激光器驱动千特斯拉强磁场自组织放大（Physical Review Letters, 121, 255002 (2018)）
中山大学：关键量子信息器件——“三高”量子纠缠光源研究（Nature Nanotechnology, 14, 586–593 (2019)）
西安交通大学：压缩超快时间光谱成像术创造超快成像新纪录 （Physical review letters, 122, 193904 (2019)）
南京大学：光的波粒二象性的可控量子叠加 （Nature Photonics, 13, 872–877 (2019)）
附：2019中国光学十大进展（基础研究类）获奖目录
北京大学：微腔表面对称破缺诱导非线性光学（Nature Photonics, 13, 21–24 (2019)）
深圳大学：近场光学旋涡中的光学斯格明子结构（Nature Physics, 15, 650–654 (2019)）
浙江大学：首个三维光学拓扑绝缘体（Nature, 565, 622–626 (2019)）
华中科技大学：高效稳定非铅卤化物双钙钛矿暖白光（Nature, 563, 541–545 (2018)）
河南大学：兼具高亮度和高效率的量子点发光二极管（Nature Photonics, 13, 192-197 (2019)）
复旦大学：双层三碘化铬中由层间反铁磁诱导的非互易二次谐波（Nature, 572, 497–512 (2018)
中科院上海光机所：首次利用台式化高重频飞秒激光器驱动千特斯拉强磁场自组织放大（Physical Review Letters, 121, 255002 (2018)）
中山大学：关键量子信息器件——“三高”量子纠缠光源研究（Nature Nanotechnology, 14, 586–593 (2019)）
西安交通大学：压缩超快时间光谱成像术创造超快成像新纪录 （Physical review letters, 122, 193904 (2019)）
南京大学：光的波粒二象性的可控量子叠加 （Nature Photonics, 13, 872–877 (2019)）
