重磅突破！我国科研团队攻克难题，QLED纳秒脉冲电致发光开启应用新篇！南方科技大学等

近日，南方科技大学的科研团队在量子点发光二极管（QLED）研究领域取得重大突破，成功实现了溶液处理的快速响应 QLED 的纳秒脉冲电致发光（EL）。相关研究成果“Nanosecond-pulsed electroluminescence from high current–driven quantum-dot light-emitting diodes”发表于国际知名期刊《Science Advances》，论文的通信作者是南方科技大学电子与电气工程系的 Shuming Chen。由南方科技大学电子与电气工程系主导开展，该系在光电子领域的研究实力强劲，为本次突破提供了坚实的科研基础与平台支持。此次研究在量子点发光二极管（QLED）研究领域取得重要进展，成功实现其纳秒脉冲电致发光（EL），并深入揭示相关动力学过程，拓展了QLED的应用边界。     

图1.  电荷载流子注入、积累、传输和复合动力学。(A) QLED的RC等效电路示意图。(B)  一个QLED在5V脉冲、20kHz频率偏置下的典型瞬态电流（TRC）和电致发光（EL）。瞬态电致发光（TREL）分为四个阶段，分别由延迟时间Td、上升时间Tr、稳定时间Ts和下降时间Tf来表征。a.u.表示任意单位。(C)  不同功能层厚度的QLED的计算电容。(D) 顶部发射绿色QLED的能带示意图。电荷在TFB（空穴传输层）界面两侧积累。(E)和(F)  不同HTL（空穴传输层）厚度（E）和量子点（QD）厚度（F）的QLED的瞬态电致发光。(G)  不同时间间隔下QLED中电荷注入、积累、传输和复合过程的示意图。(H)  上升时间和延迟时间随HTL、发射层（EML）和电子传输层（ETL）厚度变化的统计结果。

1.研究背景：超短光发射在众多前沿领域发挥着关键作用。在超快光电子学中，它是实现高速信号处理与传输的核心要素；在超快光谱学里，有助于捕捉物质瞬间的微观变化；高分辨率快速成像显微镜依赖其获取清晰的微观结构图像；材料加工领域，超短光发射可实现高精度的材料处理。以往，超短光发射通常由激光器产生，但激光器成本高昂，限制了其广泛应用。为降低成本，科研人员尝试开发基于无机III-氮化物的发光二极管（LED）来产生纳秒脉冲电致发光，通过精心设计结构和高电流驱动，已实现10ns脉冲、10MHz高重复率的EL，且在光谱学应用中作为低成本激发源得到广泛使用。   近年来，基于胶体CdSe或InP量子点（QDs）的QLED成为显示领域的研究热点。与传统LED相比，QLED采用溶液处理工艺，具备成本更低、集成更简便、灵活性更高以及面积兼容性更好等优势，在一些特殊场景中具有独特的应用价值。典型的QLED基于有机  -  无机混合结构，常用无机ZnO纳米颗粒作为电子传输层（ETL），这种结构使得QLED性能优异，如红色QLED的亚带隙开启电压低至1.6V，最大亮度超过\(3,300,000  cd m^{-2}\) ，理论外量子效率（EQE）超39%  。然而，尽管已有一些快速响应的QLED被开发用于可见光通信，但其最佳性能仅能实现微秒脉冲EL，纳秒脉冲发射的超快QLED尚未成功研制。并且，QLED中决定瞬态EL的空穴注入和传输过程动力学机制尚不明确，这使得优化器件以加速空穴传输和复合面临困境，严重阻碍了纳秒脉冲发射QLED的实现。    

图2.  快速响应量子点发光二极管（QLED）的优化。(A) 电流密度（J）-电压（V）特性。(B)  二极管电阻Rd-电压特性Rd已归一化到发光面积）。(C) 不同面积和衬底的器件的瞬态电致发光（TREL）。(D)  有无金属线辅助电极或退火处理的器件的电流密度-电压特性，(E) 有无金属线辅助电极或退火处理的器件的瞬态电致发光。(F)  器件结构对Rd、串联电阻（Rs，Rs已归一化到发光面积 ）、电流和上升时间Tr的影响。

2.研究方法：把QLED等效为电阻 - 电容（RC）电路，通过对电路瞬态电流（TRC）和瞬态EL（TREL）的研究，深入分析载流子注入、传输和积累过程。改变QLED功能层的厚度，测量不同结构QLED的TRC和EL，从而确定电荷积累的界面和传输路径。 

图3.  高电流驱动量子点发光二极管（QLED）的纳秒脉冲电致发光（EL）。(A) 快速响应QLED的器件结构示意图。(B)  由35V、150ns电压脉冲驱动的QLED的瞬态电流（TRC）和电致发光（EL）。(C) 由35V（对应电流密度超过86A/cm²  ）电源驱动的QLED的瞬态电致发光，其脉冲持续时间从20ns增加到150ns。(D)  由20ns电压源驱动的QLED的瞬态电致发光输出，电压从18V增加到35V。(E)  QLED的外量子效率（EQE）和辐射出射度随电流密度的变化。(F)  由峰值35V、脉冲持续时间20ns、重复频率50kHz的电压源驱动的QLED的纳秒脉冲电致发光的稳定性测试。    

3.实验结果

电荷动力学：研究发现电荷主要在TFB（空穴传输层）的界面积累，TFB厚度对EL延迟时间影响极大，而QDs（量子点）厚度则主要决定EL上升时间。

器件优化：通过减小发射面积、更换为Si衬底进行有效热管理，以及添加辅助电极、退火处理等方式，降低了Rd（二极管电阻）和Rs（串联电阻），显著提升了电流。在6V电压下，Tr（上升时间）从2930ns大幅缩短至300ns。 纳秒脉冲EL：用高电流驱动优化后的QLED，成功实现输出稳定且可重复的20ns脉冲EL，重复频率为50kHz，辐射出射度高达5.4W/cm2 。不过，受高电流影响，漏电流增加、俄歇复合和热诱导发射猝灭，导致其EQE为3%，低于连续EL的15%。 

图4.  纳秒脉冲量子点发光二极管（QLED）在时间分辨荧光光谱中的应用。(A) 自制时间分辨光致发光（TRPL）光谱仪的示意图。(B)  红色量子点（QD）和(D) 红外量子点溶液在不同脉冲宽度的QLED激发下的TRPL曲线，以及使用商业爱丁堡FS5荧光光谱仪测量的结果。(C)  红色量子点和(E) 红外量子点的平均激子寿命。(F) 量子点溶液的吸收光谱和光致发光（PL）光谱，以及蓝色QLED激发源的电致发光（EL）光谱。

4.应用展示

时间分辨荧光光谱：将优化后的QLED作为激发源搭建时间分辨光致发光（TRPL）光谱系统，用于测量QD溶液的荧光寿命。实验结果与商业光谱仪测量结果相符，表明低成本的QLED可替代昂贵激光器用于超快光谱应用。 

高速成像：利用20ns脉冲的QLED作为曝光闪光灯，配合相机捕捉快速运动物体。与传统照明方式相比，该方法能够冻结纳秒级的运动瞬间，普通相机也能拍摄到清晰的运动图像，极大拓展了相机的高速成像能力。    

图5.  纳秒脉冲量子点发光二极管（QLED）在高速成像中的应用。(A)  利用具有20纳秒脉冲电致发光的绿色QLED作为曝光闪光灯的自制高速成像系统示意图。(B)  纳秒脉冲闪光（上）和持续照明（下）的高速成像时间安排。(C)和(D)  在持续照明下，普通相机（C）和高速相机（D）拍摄的快速下落墨滴的照片。(E)和(F)  在20纳秒脉冲闪光下，普通相机（E）和高速相机（F）拍摄的快速下落墨滴的照片。

5. 研究总结：通过分析QLED的RC等效电路的TRC，成功揭示了影响QLED响应的电荷注入和传输动力学过程，为优化快速响应QLED奠定了理论基础。基于此优化的QLED实现了纳秒脉冲EL，并在时间分辨荧光光谱和高速成像领域展现出良好的应用潜力，有望在激光泵浦、光动力治疗等更多领域得到广泛应用。

Shuming Chen 表示，此次研究成果不仅加深了科研人员对 QLED 载流子动力学的理解，更为 QLED 在激光泵浦、光动力治疗等更多领域的应用提供了可能。未来，团队将继续深入研究，进一步优化 QLED 性能，推动相关技术的广泛应用。

这一突破标志着我国在 QLED 研究领域达到国际领先水平，为全球光电子领域的发展做出了重要贡献，有望加速相关技术在产业界的应用转化，推动多个行业的技术升级。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads1388