近期，河南大学特种功能材料教育部重点实验室与中国科学技术大学、深圳大学、郑州大学等院校实验与理论合作，在量子点发光二极管（QLED）领域取得突破性研究进展，相关成果以“兼具高亮度高效率的可见光区量子点发光二极管”（Visible quantum dot light-emitting diodes with simultaneous high brightness and efficiency）为题，于2019年2月21日以长文形式在《自然•光子学》（Nature Photonics, 2019, 13, 192–197)上在线发表。实验室申怀彬教授为论文第一作者，第二作者为侧重理论的中科大本科生研究助理高强；实验室杜祖亮教授、李林松教授和中科大张振宇教授为共同通讯作者。
众所周知，随着上世纪九十年代氮化镓基高亮度蓝光LED的突破（三位日本科学家因此获得了2014年诺贝尔物理奖），开启了LED照明和显示的新时代。基于半导体量子点的QLED，由于具有更好的单色性、色彩饱和度和较低的制备成本等优点，在显示和照明领域展现出广阔的应用前景。其中发光亮度、外量子效率和寿命是QLED走向应用的关键指标。经过近几年的快速发展，其各项指标都得到了大幅度提升；但在以往的工作中，总是高亮度时效率太低、高效率下亮度太低。如何在高亮度的同时保持高效率、且具有长寿命和高稳定性，是QLED领域亟需解决的难题，也是制约其在高亮高效显示和照明领域应用的关键技术瓶颈。
(图1. CdSe/ZnSe 核壳结构量子点球差电镜图，取自中科大林岳博士)
在该项工作中，研究团队通过设计构筑以硒为阴离子贯穿元素的核壳层状量子点（CdSe/ZnSe，见图1），优化了发光层能级与传输层能级的匹配，提高了载流子的注入效率和平衡，从而实现了器件整体性能的大幅度提升。尤为突出的是，团队在可见光区标志性的红绿蓝三元色QLED器件上，获得的最高亮度和外量子效率分别达到356,000 cd/m2、614,000 cd/m2、62,600 cd/m2和21.6%、22.9%、8.05%，其中红绿两色的亮度和效率以及蓝色的亮度都是目前国际上的最高记录(见图2)。该工作突破了以往QLED在高亮度下低效率、高效率下低亮度的关键难题，首次实现了兼具高亮度高效率的红绿蓝QLED器件。在器件稳定性方面，红色和绿色QLED器件的寿命达到160万小时以上，蓝色的寿命达到7000小时以上，其中绿色和蓝色器件的寿命也是目前的世界最长纪录。研究结果原理上展示了QLED在显示与照明两大领域应用的可能性。
(图2. 红绿蓝三色QLED器件性能图与已有工作比较)
这些突破性的进展，得益于团队实验与理论研究的互动性合作。在该项研究中，通过理论计算和模拟所建立的器件模型以及所提出的“有效亮度”的概念，不仅为材料体系的选择以及器件工作机制的理解提供了新的物理基础，也为未来QLED领域在量子点材料体系的设计和器件的进一步优化等方面提供了新思路。
本工作得到了国家自然科学基金委、科技部、河南省科技厅、河南省发改委和河南大学支持。Nature Photonics是Nature旗下聚焦在光学领域的顶级期刊，最新影响因子为32.521。
