浙大化學(xué)取得超快響應(yīng)的量子點(diǎn)發(fā)光二極管研究新成果

    近日，我系金一政教授課題組聯(lián)合劍橋大學(xué)、成都電子科技大學(xué)等單位的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在高頻響應(yīng)量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）方向取得突破性進(jìn)展。研究首次報(bào)道了QLED在脈沖驅(qū)動(dòng)下的記憶效應(yīng)，揭示了有機(jī)電荷傳輸層中深能級(jí)陷阱對(duì)量子點(diǎn)電致發(fā)光動(dòng)力學(xué)的調(diào)控機(jī)制，創(chuàng)新性地將傳統(tǒng)認(rèn)知中的材料缺陷轉(zhuǎn)化為性能提升的突破口，從而實(shí)現(xiàn)了迄今為止響應(yīng)速度最快的QLED。相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然-電子學(xué)》（Nature Electronics）。

    量子點(diǎn)發(fā)光二極管（QLED）是一種可溶液加工的電致發(fā)光器件，具有成本低、能效高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，已在顯示、照明等領(lǐng)域展現(xiàn)出替代傳統(tǒng)光源的巨大潛力。然而，受限于有機(jī)空穴傳輸層的低遷移率特性，QLED的響應(yīng)速度（>微秒級(jí)）難以企及傳統(tǒng)III-V族無機(jī)LED。這一瓶頸嚴(yán)重制約了QLED在可見光通信、距離傳感等高響應(yīng)速度場(chǎng)景的應(yīng)用。

    研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)QLED的響應(yīng)速度在連續(xù)脈沖電壓激發(fā)下逐漸加快，并且表現(xiàn)出極低延遲的超快電致發(fā)光響應(yīng)。這些現(xiàn)象說明QLED的瞬態(tài)發(fā)光并非獨(dú)立事件，而是受到先前激發(fā)歷史調(diào)控的動(dòng)態(tài)過程。通過時(shí)間相關(guān)的載流子動(dòng)力學(xué)仿真，證實(shí)了記憶效應(yīng)源自于有機(jī)空穴傳輸層中的深能級(jí)陷進(jìn)對(duì)電致發(fā)光動(dòng)力學(xué)的調(diào)控。這些深能級(jí)陷進(jìn)具有毫秒量級(jí)的電荷釋放時(shí)間常數(shù)，在高頻短脈沖條件下未完全釋放的缺陷電荷形成局域電場(chǎng)，將部分自由載流子約束在傳輸層內(nèi)。后續(xù)電脈沖觸發(fā)QLED發(fā)光時(shí)，可繞開緩慢的載流子注入和傳輸過程，直接利用約束在傳輸層中的自由載流子實(shí)現(xiàn)超快電致發(fā)光。

圖1 記憶效應(yīng)加快QLED的響應(yīng)速度

    在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出"記憶效應(yīng)加速器件響應(yīng)"的新策略，在不提升驅(qū)動(dòng)電壓的條件下顯著提升了QLED的響應(yīng)速度。通過工藝創(chuàng)新構(gòu)筑了新型微米尺度器件（micro-QLED），將器件電容顯著降低并壓縮RC延遲至納秒級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)了100MHz電致發(fā)光調(diào)制頻率和120Mbps可見光通信傳輸速率等突破性性能紀(jì)錄，同時(shí)將單位比特能耗控制在1pJ以下。

圖2 QLED超快電致發(fā)光的載流子動(dòng)力學(xué)

    該研究將材料缺陷態(tài)轉(zhuǎn)化為提升器件性能的積極因素，為QLED高頻應(yīng)用開辟新路徑。這種化缺陷為優(yōu)勢(shì)的研究思路，不僅為QLED高頻應(yīng)用開辟了新路徑，更為其他光電材料體系中缺陷態(tài)的功能化利用提供了新思路。

    該成果以“Accelerated response speed of quantum-dot light-emitting diodes by hole-trap-induced excitation memory”為題發(fā)表于Nature Electronics（論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41928-025-01350-0）。浙江大學(xué)博士生魯修遠(yuǎn)與劍橋大學(xué)鄧云洲博士（原浙江大學(xué)博士后、現(xiàn)為瑪麗居里學(xué)者）為論文共同第一作者；鄧云洲博士和金一政教授為論文共同通訊作者。該研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金委區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。