近日，南方科技大学电子与电气工程系教授陈树明团队在高性能量子点发光二极管（QLED）的器件工程及器件物理的研究中取得新进展，提出了水处理ZnMgO电子输运层的新方法策略红，有效钝化了ZnMgO的缺陷，并显著提高了ZnMgO的导电性，实现了微米级厚度及发光稳定的高性能QLED。相关成果分别以“Micrometer-scale-thick quantum-dot LEDs with notably enhanced stability and ultra-high brightness”和“Eliminating Positive Aging in Quantum Dot Light‐Emitting Diodes by H2O‐Treatment”为题发表在《科学进展》（Science Advances）和《先进材料》（Advanced Materials）上。
Micrometer-scale-thick quantum-dot LEDs with notably enhanced stability and ultra-high brightness
QLED因其色彩纯度高、可溶液加工等优势，成为下一代显示技术的核心候选者。然而，传统QLED的电荷传输层受限于低电导率，器件厚度受限于100纳米以下，这容易引发以下问题：（一）纳米级薄膜对基板台阶和凸起覆盖性差，易形成短路路径；（二）纳米级薄膜台阶覆盖性差，容易导致电流分布不均，加速器件老化；（三）纳米级薄膜难以适配铜、银纳米线等粗糙度较高的散热或柔性基底。这些问题制约了QLED在高亮度照明、AR/VR显示等领域的应用。
针对这一关键难题，陈树明教授团队创新性地提出一种 “微米级厚度QLED”解决方案。研究人员通过气相水处理ZnMgO电子输运层，将ZnMgO的载流子浓度提升超过一个数量级，不仅实现了电子的高效、无陷阱输运，更首次将ZnMgO电子输运层的厚度成功拓展至微米量级——这是传统器件厚度的十倍以上。基于此微米级ZnMgO层的QLED不仅保持2.1 V的低开启电压与31.2%的高外量子效率（EQE），且峰值亮度达到3,941,000 cd/m2，为目前亮度最高的QLED器件。
图1 微米级电子传输层的必要性
图1a展示了典型的倒置结构QLED，其电子传输层厚度约为72纳米，以确保高效的电荷传输。然而，如此薄的器件厚度可能导致短路路径的形成。如图1b所示，通过LiF绝缘层覆盖台阶区域（图1b中的器件2），发现未覆盖台阶的器件（器件1）电流密度和漏电流显著更高，寿命也明显缩短。这些结果表明，纳米厚的电子传输层无法均匀覆盖衬底台阶，导致电流分布不均和漏电流的形成，从而降低了器件的效率和稳定性。然而，增加ZnMgO厚度会导致电流大幅降低、功耗增加，进而加速器件退化（图1g）。因此，为了实现微米厚的QLED，首先需要提高ZnMgO的导电性。
图2 微米级c-ZnMgO层的制备及导电性表征
如图2a所示，本研究创新性地提出一种气相水处理ZnMgO的方法，显著提升ZnMgO薄膜的导电性。通过旋涂制备100纳米ZnMgO薄膜，并在60%湿度和180°C条件下进行退火，多次重复以达到微米厚度。与常规ZnMgO相比，其电子浓度提高一个数量级以上，达6.4×1018cm-3。器件测试显示，微米厚c-ZnMgO实现了与ITO电极界面的欧姆接触，大幅降低了串联电阻和漏电流，有效提高电荷注入效率和载流子传输能力。这为制备高稳定性、高效率的超厚QLED器件提供了技术支撑。
图3 微米级QLED的性能表现策略红
本研究进一步证实，通过气相水处理制备的高导电性c-ZnMgO薄膜，可显著提升QLED的光电性能和稳定性。如图3所示，传统QLED因ZnMgO电阻高而受限于较薄厚度，难以同时实现最佳光提取效率与高电流密度。相比之下，即使采用1 µm的c-ZnMgO，器件依然能同时保持高电流密度与高外量子效率（EQE高达21.32%），并展现更低的启亮电压（2.1 V）和朗伯型、角度稳定的出光特性。稳定性方面，微米厚c-ZnMgO能显著降低漏电流，器件寿命提升近3倍。
图4 基于高散热铜衬底的微米级QLED
微米厚c-ZnMgO显著拓宽了QLED适用的基底材料，不再依赖基底表面的纳米级平整度，首次实现了在粗糙铜板基底上的直接构建。如图4所示，铜基底凭借出色的导热性能，显著提升了QLED在高电流驱动下的散热效果，大幅抑制效率衰减，使得器件在5.9 A/cm2高电流下仍保有65%的峰值EQE，远高于传统器件的16%。这种热管理策略使得QLED达到创纪录的3,941,000 cd/m2亮度，是传统器件的11.8倍，刷新了红色QLED的最高亮度纪录。进一步的脉冲驱动测试显示，器件可输出高达4.6×107 cd/m2的亮度，单脉冲光功率稳定高达3.8 µJ/cm²。这使得QLED具备超高亮度和稳定性，在AR/VR、高功率照明及光泵浦等领域拥有广阔的应用前景。
图5 基于银纳米线、铝箔和纸衬底的微米级QLED
本研究进一步证实微米厚c-ZnMgO可高效兼容粗糙基底。在银纳米线上直接涂覆1 µm c-ZnMgO，表面粗糙度显著降低，实现全透明柔性QLED器件，透过率高达81.2%，EQE提升至22.01%，远超传统器件（10.52%）。此外，在铝箔、纸张等粗糙基底上同样实现EQE近20%的QLED，具备低成本、柔性、可书写和可拉伸显示应用前景。
总体而言，团队提出了气相水处理ZnMgO的新方法，显著提升ZnMgO电子浓度并抑制陷阱态，成功制备出高导电微米级c-ZnMgO。即使厚度达1 µm，QLED仍具备高EQE（31.2%）和超长寿命（T90达9027小时），远超传统器件。该微米厚膜层可覆盖粗糙基底，使QLED可直接构建于铜、银纳米线、铝箔和纸等材料上，支持柔性、透明、可拉伸等应用。在铜基底上，QLED亮度达394万 cd/m2，寿命超1.1万小时，刷新性能纪录，推动QLED在高亮显示与光泵浦等领域的应用与产业化。
该工作以“Micrometer-scale-thick quantum-dot LEDs with notably enhanced stability and ultra-high brightness”为题发表在《科学进展》（Science Advances），论文第一作者为南方科技大学2022级博士生陈子楠，陈树明为唯一通讯作者，南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究项目的资助。
Eliminating Positive Aging in Quantum Dot Light‐Emitting Diodes by H2O‐Treatment
QLED器件普遍存在异常的“正向老化”现象——器件效率与亮度在静置数日后逐渐提升。这种看似有利的效应策略红，实则带来了器件性能的随机性与不可控性，严重制约了QLED器件的可重复性与量产一致性，成为制约QLED工业化的关键瓶颈。
针对这一行业痛点，陈树明教授团队首先研究了QLED的正向老化机制，揭示了水分子导致ZnMgO缺陷钝化是“正向老化”的化学驱动力，在此基础上，创新性地提出液相水处理ZnMgO结合后退火的新策略，有效的钝化了ZnMgO的缺陷态，从根本上消除正向老化现象。研究发现， ZnMgO与封装胶水（酸性树脂）会发生反应，反应过程中会生成水分，水分通过扩散缓慢钝化ZnMgO缺陷，使器件的效率与亮度随放置时间而缓慢增长。团队创新性地利用这一机制，通过外源引入水分对ZnMgO进行定向处理，并辅以后退火工艺，使得器件在初始阶段即完成缺陷钝化并展现出55.2 lm/W的功效和26%的外量子效率，分别为未处理器件的2.04倍和1.67倍。同时，在多日存储后性能仍高度稳定，正向老化现象被完全消除。该工作不仅明确指出水分是正向老化的化学驱动力，更为实现高性能、可量产的稳定QLED器件提供了可行路径。
图6 探究正向老化的根源
图6研究了QLED正向老化的原因。在典型的正置QLED器件结构中，QLED在初始阶段表现出较高的漏电流和较低的电荷复合效率。但静置7天后，器件性能显著提升，包括漏电流减少及EQE的提升（15.6%至25.5%）。这一“正向老化”现象，长期被认为是由ZnMgO与酸性树脂之间的复杂反应导致，但具体机制始终存疑。
本研究通过系统的对比实验明确指出，真正驱动正向老化的并非酸性树脂本身，而是其与ZnMgO表面羟基反应产生的水。该水分子可在ZnMgO表面发生化学吸附，从而有效钝化缺陷并增强导电性，抑制漏电流、提升复合效率，最终显著提高器件效率与均匀性。这一发现颠覆了对正向老化成因的传统认知，揭示了水分在缺陷钝化中的关键作用，并为构建高效、稳定、可量产的QLED器件提供了理论基础与技术路径。
图7 液相水处理ZnMgO层
为实现ZnMgO缺陷的快速钝化，研究团队开发了一种简单可控的液相水处理方法，如图7所示：将乙醇-水混合溶液（体积比20:1）旋涂于ZnMgO表面，并在80°C下退火1分钟。该方法有效引入水分子，通过化学吸附抑制氧吸附位点，同时释放自由电子，提高ZnMgO的导电性。
经水处理的QLED器件在初始阶段即展现优异性能：EQE达20.5%，同时电流密度提升、漏电流降低，电荷复合更加高效。然而，即使ZnMgO特性已稳定，器件在储存5天后仍出现一定程度的正向老化，表明老化现象还与ZnMgO/Al金属界面反应有关。因此，后续研究将进一步聚焦于界面工程，以彻底抑制正向老化。
图8 基于液相水处理和后退火的高性能QLED
为探究ZnMgO/Al金属界面对QLED正向老化的影响，研究团队制备了如图8所示不同界面的QLED器件。研究发现，ZnMgO与Al反应可降低空穴泄漏电流并提升效率，是正向老化的根本原因。对ZnMgO缺陷发光分析显示，仅水处理ZnMgO虽能抑制浅能级缺陷，但仍存在深能级缺陷，需退火配合高活性金属（如Al电极）参与钝化。最终，通过水处理与后退火协同策略，可在新鲜器件中直接实现高效率（EQE达26%）、低泄漏电流和稳定的电致发光性能。同时，处理后的器件展现出更长的寿命和更稳定的驱动电压，且重复性良好。
图9 液相水处理方法的通用性
上述提出的液相水处理与后退火策略同样适用于绿色与蓝色QLEDs。如图9所示，处理后的器件均表现出更高电流密度和EQE，且电致发光性能随时间稳定，无正向老化现象。研究团队进一步探讨了不同处理方式的实用性。若在Al电极沉积后进行水处理，仅条形电极（Device 1）因部分裸露，水分可渗入ZnMgO层实现性能提升；而全覆盖电极（Device 2）因水分难以渗透Al电极，钝化效果差。相比之下，若在Al电极沉积前对ZnMgO进行水处理，无论条形还是全覆盖电极（Devices 3和4），均表现出高效率与无老化特性。这表明，本研究提出的液相水处理方式不仅适用于实验室器件，也适配于实际商业应用，具备良好的通用性。
总体而言，正向老化虽能提升QLED性能，但因其过程缓慢、随机且不可控，易导致发光不均和性能波动，阻碍产业化。为此，团队通过水处理和后退火方法，钝化ZnMgO缺陷，降低漏电流。处理后的QLED无需放置即达高性能（26.0% EQE，55.2 lm/W），彻底消除正老化现象，为QLED产业化提供了技术支持。
该工作以“Eliminating Positive Aging in Quantum Dot Light‐Emitting Diodes by H2O‐Treatment”为题发表在《先进材料》（Advanced Materials），论文第一作者为南方科技大学2022级博士生陈子楠，陈树明为唯一通讯作者，南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究项目的资助。
论文链接：
文章一：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads7770
文章二：
https://doi.org/10.1002/adma.202503477
新宝配资提示：文章来自网络，不代表本站观点。
沪深京指数
热点资讯
