重磅突破！我國科研團隊攻克難題，QLED納秒脈沖電致發光開啟應用新篇！南方科技大學等

近日，南方科技大學的科研團隊在量子點發光二極管（QLED）研究領域取得重大突破，成功實現了溶液處理的快速響應 QLED 的納秒脈沖電致發光（EL）。相關研究成果“Nanosecond-pulsed electroluminescence from high current–driven quantum-dot light-emitting diodes”發表于國際知名期刊《Science Advances》，論文的通信作者是南方科技大學電子與電氣工程系的?Shuming Chen。由南方科技大學電子與電氣工程系主導開展，該系在光電子領域的研究實力強勁，為本次突破提供了堅實的科研基礎與平臺支持。此次研究在量子點發光二極管（QLED）研究領域取得重要進展，成功實現其納秒脈沖電致發光（EL），并深入揭示相關動力學過程，拓展了QLED的應用邊界。?? ??

圖1. ?電荷載流子注入、積累、傳輸和復合動力學。(A) QLED的RC等效電路示意圖。(B) ?一個QLED在5V脈沖、20kHz頻率偏置下的典型瞬態電流（TRC）和電致發光（EL）。瞬態電致發光（TREL）分為四個階段，分別由延遲時間Td、上升時間Tr、穩定時間Ts和下降時間Tf來表征。a.u.表示任意單位。(C) ?不同功能層厚度的QLED的計算電容。(D) 頂部發射綠色QLED的能帶示意圖。電荷在TFB（空穴傳輸層）界面兩側積累。(E)和(F) ?不同HTL（空穴傳輸層）厚度（E）和量子點（QD）厚度（F）的QLED的瞬態電致發光。(G) ?不同時間間隔下QLED中電荷注入、積累、傳輸和復合過程的示意圖。(H) ?上升時間和延遲時間隨HTL、發射層（EML）和電子傳輸層（ETL）厚度變化的統計結果。

1.研究背景：超短光發射在眾多前沿領域發揮著關鍵作用。在超快光電子學中，它是實現高速信號處理與傳輸的核心要素；在超快光譜學里，有助于捕捉物質瞬間的微觀變化；高分辨率快速成像顯微鏡依賴其獲取清晰的微觀結構圖像；材料加工領域，超短光發射可實現高精度的材料處理。以往，超短光發射通常由激光器產生，但激光器成本高昂，限制了其廣泛應用。為降低成本，科研人員嘗試開發基于無機III-氮化物的發光二極管（LED）來產生納秒脈沖電致發光，通過精心設計結構和高電流驅動，已實現10ns脈沖、10MHz高重復率的EL，且在光譜學應用中作為低成本激發源得到廣泛使用。 ? 近年來，基于膠體CdSe或InP量子點（QDs）的QLED成為顯示領域的研究熱點。與傳統LED相比，QLED采用溶液處理工藝，具備成本更低、集成更簡便、靈活性更高以及面積兼容性更好等優勢，在一些特殊場景中具有獨特的應用價值。典型的QLED基于有機 ?- ?無機混合結構，常用無機ZnO納米顆粒作為電子傳輸層（ETL），這種結構使得QLED性能優異，如紅色QLED的亞帶隙開啟電壓低至1.6V，最大亮度超過\(3,300,000 ?cd m^{-2}\) ，理論外量子效率（EQE）超39% ?。然而，盡管已有一些快速響應的QLED被開發用于可見光通信，但其最佳性能僅能實現微秒脈沖EL，納秒脈沖發射的超快QLED尚未成功研制。并且，QLED中決定瞬態EL的空穴注入和傳輸過程動力學機制尚不明確，這使得優化器件以加速空穴傳輸和復合面臨困境，嚴重阻礙了納秒脈沖發射QLED的實現。? ??

圖2. ?快速響應量子點發光二極管（QLED）的優化。(A) 電流密度（J）-電壓（V）特性。(B) ?二極管電阻Rd-電壓特性Rd已歸一化到發光面積）。(C) 不同面積和襯底的器件的瞬態電致發光（TREL）。(D) ?有無金屬線輔助電極或退火處理的器件的電流密度-電壓特性，(E) 有無金屬線輔助電極或退火處理的器件的瞬態電致發光。(F) ?器件結構對Rd、串聯電阻（Rs，Rs已歸一化到發光面積 ）、電流和上升時間Tr的影響。

2.研究方法：把QLED等效為電阻 - 電容（RC）電路，通過對電路瞬態電流（TRC）和瞬態EL（TREL）的研究，深入分析載流子注入、傳輸和積累過程。改變QLED功能層的厚度，測量不同結構QLED的TRC和EL，從而確定電荷積累的界面和傳輸路徑。?

圖3. ?高電流驅動量子點發光二極管（QLED）的納秒脈沖電致發光（EL）。(A) 快速響應QLED的器件結構示意圖。(B) ?由35V、150ns電壓脈沖驅動的QLED的瞬態電流（TRC）和電致發光（EL）。(C) 由35V（對應電流密度超過86A/cm2 ?）電源驅動的QLED的瞬態電致發光，其脈沖持續時間從20ns增加到150ns。(D) ?由20ns電壓源驅動的QLED的瞬態電致發光輸出，電壓從18V增加到35V。(E) ?QLED的外量子效率（EQE）和輻射出射度隨電流密度的變化。(F) ?由峰值35V、脈沖持續時間20ns、重復頻率50kHz的電壓源驅動的QLED的納秒脈沖電致發光的穩定性測試。? ??

3.實驗結果

電荷動力學：研究發現電荷主要在TFB（空穴傳輸層）的界面積累，TFB厚度對EL延遲時間影響極大，而QDs（量子點）厚度則主要決定EL上升時間。

器件優化：通過減小發射面積、更換為Si襯底進行有效熱管理，以及添加輔助電極、退火處理等方式，降低了Rd（二極管電阻）和Rs（串聯電阻），顯著提升了電流。在6V電壓下，Tr（上升時間）從2930ns大幅縮短至300ns。?納秒脈沖EL：用高電流驅動優化后的QLED，成功實現輸出穩定且可重復的20ns脈沖EL，重復頻率為50kHz，輻射出射度高達5.4W/cm2 。不過，受高電流影響，漏電流增加、俄歇復合和熱誘導發射猝滅，導致其EQE為3%，低于連續EL的15%。?

圖4. ?納秒脈沖量子點發光二極管（QLED）在時間分辨熒光光譜中的應用。(A) 自制時間分辨光致發光（TRPL）光譜儀的示意圖。(B) ?紅色量子點（QD）和(D) 紅外量子點溶液在不同脈沖寬度的QLED激發下的TRPL曲線，以及使用商業愛丁堡FS5熒光光譜儀測量的結果。(C) ?紅色量子點和(E) 紅外量子點的平均激子壽命。(F) 量子點溶液的吸收光譜和光致發光（PL）光譜，以及藍色QLED激發源的電致發光（EL）光譜。

4.應用展示

時間分辨熒光光譜：將優化后的QLED作為激發源搭建時間分辨光致發光（TRPL）光譜系統，用于測量QD溶液的熒光壽命。實驗結果與商業光譜儀測量結果相符，表明低成本的QLED可替代昂貴激光器用于超快光譜應用。?

高速成像：利用20ns脈沖的QLED作為曝光閃光燈，配合相機捕捉快速運動物體。與傳統照明方式相比，該方法能夠凍結納秒級的運動瞬間，普通相機也能拍攝到清晰的運動圖像，極大拓展了相機的高速成像能力。? ??

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圖5. ?納秒脈沖量子點發光二極管（QLED）在高速成像中的應用。(A) ?利用具有20納秒脈沖電致發光的綠色QLED作為曝光閃光燈的自制高速成像系統示意圖。(B) ?納秒脈沖閃光（上）和持續照明（下）的高速成像時間安排。(C)和(D) ?在持續照明下，普通相機（C）和高速相機（D）拍攝的快速下落墨滴的照片。(E)和(F) ?在20納秒脈沖閃光下，普通相機（E）和高速相機（F）拍攝的快速下落墨滴的照片。

5. 研究總結：通過分析QLED的RC等效電路的TRC，成功揭示了影響QLED響應的電荷注入和傳輸動力學過程，為優化快速響應QLED奠定了理論基礎。基于此優化的QLED實現了納秒脈沖EL，并在時間分辨熒光光譜和高速成像領域展現出良好的應用潛力，有望在激光泵浦、光動力治療等更多領域得到廣泛應用。

Shuming Chen?表示，此次研究成果不僅加深了科研人員對 QLED 載流子動力學的理解，更為 QLED 在激光泵浦、光動力治療等更多領域的應用提供了可能。未來，團隊將繼續深入研究，進一步優化 QLED 性能，推動相關技術的廣泛應用。

這一突破標志著我國在 QLED 研究領域達到國際領先水平，為全球光電子領域的發展做出了重要貢獻，有望加速相關技術在產業界的應用轉化，推動多個行業的技術升級。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads1388?