不幸的是，造成這些限制的因素仍然不清楚，因此沒有明確的設(shè)備工程指導(dǎo)方針。

在此，來自北京交通大學(xué)的唐愛偉、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的樊逢佳以及河南大學(xué)的陳斐&申懷彬等研究者通過電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜，發(fā)現(xiàn)最先進(jìn)的綠色無鎘QD-LEDs（普遍采用InP-ZnSeS-ZnS核-殼-殼結(jié)構(gòu)）的低效率源于ZnSeS中間層，因為它施加了高注入勢壘，限制了電子濃度和陷阱飽和度。相關(guān)論文以題為“Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage”于2024年11月20日發(fā)表在Nature上。

量子點發(fā)光二極管（QD-LEDs），由于其高量子效率和優(yōu)異的單色性，有望成為下一代顯示和照明的領(lǐng)先技術(shù)。目前最先進(jìn)的QD-LEDs使用基于鎘（Cd）的II-VI量子點（QDs），但有毒的Cd元素限制了其實際應(yīng)用。

基于InP、ZnSe和ZnTeSe的QDs被認(rèn)為是Cd基QDs的理想無毒替代品，并且在這些QDs實現(xiàn)高效率和穩(wěn)定性方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。例如，基于InP的紅色QD-LEDs和基于ZnTeSe的藍(lán)色QDs的峰值外量子效率（EQEs）超過20%。

然而，盡管在材料和器件工程方面做出了巨大努力，使用基于InP的綠色QDs的無鎘QD-LEDs仍然具有較低的EQE（16.3%），對實現(xiàn)完全無鎘QD-LEDs顯示和照明構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。

與基于CdSe的QDs相比，基于InP的QDs的電子有效質(zhì)量較低（0.077m₀與0.13m₀，其中m₀表示真空中自由電子的質(zhì)量），這應(yīng)該使電子注入更容易。然而，InP的導(dǎo)帶最小值較高。這可能導(dǎo)致較高的電子注入勢壘，特別是在基于InP的綠色QD-LEDs中。

這些相互交織的因素，使得這些器件中的電子行為復(fù)雜化。到目前為止，對于InP基QD-LEDs中的電子是否過多或不足，還沒有達(dá)成共識，這需要完全相反的器件工程策略。因此，直接測量運行中的QD-LEDs中的電荷載體至關(guān)重要，但現(xiàn)有的表征方法仍然具有挑戰(zhàn)性。

在本文中，研究者使用電激發(fā)瞬態(tài)吸收（EETA）來量化運行中的基于InP的綠色QD-LEDs中的電子濃度。通過比較基于InP和性能優(yōu)異的基于CdSe的QD-LEDs在不同波長下的發(fā)射，研究者發(fā)現(xiàn)，由于ZnSeS中間層施加的高注入勢壘，最先進(jìn)的基于InP的綠色QD-LEDs（普遍使用InP-ZnSeS-ZnS核–殼–殼QDs）中的電子濃度異常低。

因此，輻射復(fù)合并不比非輻射捕獲更有效，導(dǎo)致量子效率低和壽命短。研究者建議通過用ZnSe替換廣泛使用的ZnSeS合金中間層來增加QDs中的電子濃度。然而，這會導(dǎo)致電子泄漏增加。

研究者進(jìn)一步建議增加ZnSe層的厚度，以減少泄漏并保持高效的注入。這一策略使研究者能夠在基于InP的綠色QD-LEDs中實現(xiàn)26.68%的峰值EQE、超過270,000 cd/m²的亮度以及在初始亮度為1,000 cd/m²時的1,241小時T95壽命，發(fā)射波長為543 nm，據(jù)研究者所知，這更新了所有當(dāng)前記錄。這些實驗結(jié)果可以通過Wentzel-Kramers-Brillouin（WKB）量子隧穿模型很好地解釋。

圖1 EETA光譜學(xué)。

圖2 提高綠色InP基QD-LEDs EQE的策略。

圖3 QD-LEDs中電子注入和電子泄漏的隧穿模型。

圖4 高性能InP厚ZnSe-ZnS量子二極管的表征。

綜上所述，通過使用EETA光譜學(xué)，研究者確定了目前研究最廣泛的綠色InP-ZnSeS-ZnS QD-LEDs效率低的原因——即由低電荷濃度引起的陷阱飽和不足。鑒于高注入勢壘主要來自ZnSeS中間層，研究者采用純ZnSe中間層以促進(jìn)電子注入。

然而，這導(dǎo)致了電子泄漏的增加。研究者進(jìn)一步增加了ZnSe中間層殼層以減少泄漏，最終實現(xiàn)了前所未有的26.68%的EQE和超過1,000小時T₉₅壽命（在初始亮度為1,000 cd/m²時），這兩個值對于基于InP的綠色QD-LEDs來說都是前所未有的。

這一策略可以通過WKB量子隧穿模型合理地解釋，研究者預(yù)測它還可以擴(kuò)展到其他具有低電子濃度的QD-LEDs，如藍(lán)色QD-LEDs。降低殼層能量勢壘和增加殼層厚度應(yīng)該是重要的初步嘗試。