蒸发驱动自组装InP量子点实现高效稳定无重金属量子点发光二极管

针对无重金属量子点发光二极管(QLEDs)因电荷泄漏导致的低效率和不稳定性问题，研究人员开发了一种蒸发驱动自组装策略，制备出均匀致密的InP基量子点薄膜。该薄膜有效抑制电荷泄漏，使QLEDs获得26.6%的外量子效率(EQE)和4026小时的工作寿命(T50@1000 cd m-2)，并通过光刻技术实现3μm像素尺寸(5080 PPI)的微型化器件，为环保显示技术商业化提供新途径。

　　

在显示技术领域，量子点发光二极管(QLED)因其出色的色纯度和宽色域被视为下一代显示技术的核心。然而，传统镉(Cd)基量子点的毒性问题始终是悬在产业发展头上的达摩克利斯之剑。虽然无重金属量子点(如InP基量子点)的研发取得长足进步，但spin-coating(旋涂)法制备的量子点薄膜存在严重缺陷——粗糙的表面形貌会产生电荷泄漏区域，导致器件效率低下、发热严重、寿命缩短。这些技术瓶颈使得无重金属QLED的商业化进程举步维艰。

为了解决这一关键问题，中国科学院的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们创新性地开发出蒸发驱动自组装策略，通过设计三端封闭的微柱模板调控三相接触线(TPCL)运动，实现了大面积(25 cm²)、均匀致密的InP基量子点薄膜制备。该技术使QLED的外量子效率(EQE)提升至26.6%，亮度达1.4×10⁵ cd m^-2，工作寿命(T₅₀)达4026小时，并成功实现3μm像素尺寸(5080 PPI)的微型化器件，为无重金属QLED的商业化应用扫清了关键技术障碍。

研究团队采用的关键技术包括：1) 微柱模板辅助的蒸发驱动自组装技术，通过调控TPCL实现量子点有序排列；2) 空间电荷限制电流法(SCLC)测量载流子迁移率；3) 瞬态电致发光(TrEL)分析器件载流子复合动力学；4) 深紫外光电子能谱(UPS)测定能级结构；5) 光刻技术实现微型化像素图案化。所有量子点材料均来自苏州Xingshuo Nanotech公司提供的标准样品。

【均匀致密量子点薄膜抑制电荷泄漏】
通过对比旋涂法和自组装法制备的量子点薄膜，研究发现粗糙薄膜会导致HTL(空穴传输层)与ETL(电子传输层)直接接触，产生寄生发光和热损耗。自组装薄膜使欧姆电流区的电流密度降低一个数量级，电子迁移率提升3倍，界面势能分布更均匀。时间分辨荧光(TRPL)显示自组装薄膜的荧光寿命延长，证实其能有效阻止ZnMgO穿透导致的荧光淬灭。

【量子点薄膜的自组装与表征】
设计的微柱模板(宽20μm、间距1μm、深3μm)经二甲基二氯硅烷(DMS)修饰后，形成接触角24°的低粘附表面。不对称弯液面产生的向下热马兰戈尼流(Thermo-Marangoni flow)和毛细流，使量子点富集在基底TPCL处有序组装。小角X射线散射(GISAXS)显示清晰衍射斑点，原子力显微镜(AFM)测得粗糙度仅1.72 nm，导电性测试证实载流子传输更高效。

【器件性能表征】
基于自组装薄膜的QLED(ITO/PEDOT:PSS/TFB/QDs/ZnMgO/Al)展现出显著优势：在相同电流密度(600 mA cm^-2)下HTL寄生发光完全消失；开启电压2.0V时亮度提高1倍；峰值EQE达26.6%，比旋涂器件(18.9%)提升41%。电容-电压(C-V)测试显示电荷积累减少，TrEL表明辐射复合速率提高。红外热成像显示在700 mA cm^-2时器件表面温度比对照组低14.2°C，T₅₀寿命从1934小时延长至4026小时。

【大面积与高分辨率器件】
该技术成功制备2×3 cm²大面积QLED，保持21.1%的EQE(达小面积器件80%)。通过结合光刻技术，实现3μm像素尺寸(5080 PPI)的微型QLED，EQE达22.6%。图案化器件展示出清晰的静态图像显示能力，证实该技术的实际应用价值。

这项研究开创性地解决了无重金属QLED产业化面临的核心难题。通过蒸发驱动自组装技术，研究人员实现了量子点薄膜从无序到有序、从粗糙到致密的革命性突破。其创新性体现在：1) 微柱模板设计实现TPCL直线化回缩；2) 不对称弯液面产生定向流体控制量子点沉积；3) 兼容现有光刻工艺实现微型化集成。该技术不仅适用于InP量子点，在ZnSeTe和Cd基量子点体系中也展现出普适性。

从科学价值看，该研究阐明了薄膜形貌-载流子输运-器件性能的构效关系，为纳米材料自组装提供了新范式。就应用前景而言，4026小时的工作寿命已接近商业化要求，5080 PPI的分辨率远超现有显示标准(苹果Retina屏约300 PPI)。这项技术有望推动我国在新型显示领域实现"换道超车"，为绿色照明、AR/VR微显示、柔性电子等领域提供关键技术支撑。正如研究者所言，这项工作"为环保显示和照明设备的商业化提供了可行路径"。