“白炽灯点亮了20世纪，发光二极管（LED）点亮了21世纪。”LED是公认的新一代显示与照明技术的核心器件。
近日，中国科学技术大学教授樊逢佳与河南大学教授申怀彬合作，利用自主研发的“LED拍片机”，破解了绿色磷化铟基量子点LED效率和寿命的难题。优化后的绿色磷化铟基量子点LED外量子效率达到26.68%，器件发光寿命大幅延长到1241小时，刷新多项世界纪录。这标志着我国在环保型量子点显示和照明技术领域取得了重要突破。
11月21日凌晨，研究成果发表于《自然》。这是我国在无镉无铅量子点LED领域发表的首篇正刊论文，从投稿到接收，仅仅用时4个多月。
《自然》审稿人评价该工作：“该研究选题重要且具有时效性，作者清晰阐明了量子点LED开发中的关键技术问题，尤其是电荷注入势垒、电荷分布及相关分析方法，并利用电激发瞬态吸收光技术深入解析磷化铟基量子点LED电荷浓度及结构优化问题，取得了定量且有价值的研究成果。”
世界首台电激发瞬态吸收光谱仪。代蕊 摄
研发“LED拍片机”
世界首台电激发瞬态吸收光谱仪
LED显示屏无处不在，LED照明产业更是我国半导体行业的重要支柱。
随着技术的进步，一大批新兴显示和照明的LED——如量子点LED、下一代有机LED、微型LED正迅速崭露头角。
在国外做博士后时，樊逢佳开始接触到LED研究。“我注意到国际上没有课题组专门发展新仪器，从实验角度来验证新兴LED的内部机制问题，除了少量研究人员在做相关的理论计算。”论文通讯作者樊逢佳说。
事实上，正是由于缺乏原位、直观的表征手段，LED内部好像一个“黑匣子”，研究人员“看得不够清楚”，对其内部运行机制理解尚不充分。
2017年9月樊逢佳回国加入中国科大，开始组建团队专注于量子点LED关键科学问题。工欲善其事，必先利其器。经过2年技术攻关，他带领团队于2020年成功研发了世界首台电激发瞬态吸收光谱仪。该技术已获得国家专利授权。
樊逢佳解释说，人骨折就医，得先拍片子才能诊断。这台仪器相当于为LED“拍片子”的CT，不仅能实时捕捉到LED内部载流子（负责传递电流的粒子）的活动，还能清晰描绘电场的分布。借助这一“超级视野”，研究人员终于能对LED内部进行全面的“体检”。
该仪器的科学原理就是把传统的光激发瞬态吸收的“光激发、光探测”模式升级为“电激发、光探测”，从而实现了对电子和电场的原位监测。
利用该仪器，樊逢佳等人取得了诸多研究成果。比如揭示了影响量子点LED电流和电压效率的限制因素，探明了蓝光量子点LED性能衰减机制。此外，还发现了“电激发”过程中的新奇物理现象。
“这项技术的突破，不仅为理解和优化LED性能提供了强大的支持，同时，还有助于发现物质新现象、研究物质新规律。”樊逢佳说，近年来，他们发展了噪声抑制算法，将仪器灵敏度提高到十万分之一。
樊逢佳（中）与学生在讨论实验结果。代蕊 摄
磷化铟量子点
量子点显示工业“皇冠上的明珠”
量子点是一种全新概念的半导体纳米晶体，表现出尺寸依赖的光学效应，即不同的尺寸就可以发出不同颜色的光，而且色纯度非常高。这一独特的光学性能使量子点成为最好的发光材料之一，已被应用在显示领域，如量子点LED。
樊逢佳介绍，“量子点LED分为有镉和无镉。无镉无铅量子点LED由于其环境友好优势，备受研究人员的青睐，尤其是以磷化铟体系为代表的量子点LED被誉为显示工业‘皇冠上的明珠’。”
2019年、2020年，韩国三星集团在《自然》上连发两篇无镉量子点LED论文，展示了他们在红色和蓝色磷化铟基量子点LED两色器件中所取得的进展。这是当时国际上关于无镉量子点LED研究的最高水平。
然而，随后的几年里，国际上关于绿色磷化铟基量子点LED研究迟迟未有新突破，它的效率和寿命仍远落后于红色和蓝色磷化铟基量子点LED，成为制约环境友好型全彩量子点LED产业化的关键。
“在无镉无铅量子点LED中，为什么红色和蓝色的器件表现优异，而绿色却始终难以突破？”这成为显示领域的未解之谜。
申怀彬长期从事量子点LED的设计，是多项量子点LED性能世界纪录的保持者。自2018年与樊逢佳结识后，两人成为亲密合作伙伴，在科研上取得了一系列重大成果。
这次，他们再度携手，向量子点显示工业“皇冠上的明珠”——绿色环境友好型磷化铟基量子点LED发起攻坚。
申怀彬（前）与团队学生合影。河南大学供图
破解“水池难题”
提出“低、宽势垒”设计方案
研究团队通过“拍片机”的“拍片诊断”，发现绿色磷化铟基量子点LED性能较低的主要原因在于两点：电子注入不足和电子泄漏严重。想象一下，本该流向电子“蓄水池”的电子，一边是电子“进水管”堵塞，一边是池底有电子“泄漏”流失，这就导致电子“蓄水池”无法装满。
为了解决难题，研究团队提出了“低、宽势垒”的创新设计，对电子“蓄水池”进行了全面升级。通过拓宽电子“进水管”，让更多电子顺畅流入量子点发光层，同时在池底加装防漏板，避免电子从中流失。
“优化后的绿色磷化铟基量子点LED不仅效率提升到了26.68%，亮度更是突破了270000坎德拉每平方米，器件发光寿命也大幅延长到1241小时，刷新了多项世界纪录。”论文通讯作者申怀彬说。
“这表明我国环保型量子点LED技术正迈入一个全新的阶段。”樊逢佳表示，下一步，团队将努力推动环保型量子点LED从实验室走向货架，让技术真正转化为产品，为市场带来高性能、环保的显示技术，同时推动绿色显示产业的发展。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
本文链接：原创“拍片机” 揭示环保型量子点LED关键科学问题http://www.llsum.com/show-11-14310-0.html
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