水热法制备ZnSe纳米晶实现470 nm纯蓝光发射的机理与退火优化研究

研究人员针对InGaN基蓝光材料面临的技术难题，通过水热法合成大尺寸ZnSe纳米晶（NCs），结合惰性气体退火工艺优化晶体质量。研究发现120 nm ZnSe NCs可产生半峰宽仅22 nm的470 nm激子发射（超线性响应，寿命0.19 ns），并通过300-400oC退火有效抑制775 nm缺陷发光（亚线性响应，寿命187 ns），为QLED（量子点发光二极管）提供了环境友好型纯蓝光发射解决方案。

　　

在追求广色域显示与照明技术的浪潮中，蓝光材料的突破始终是行业痛点。当前主流InGaN基蓝光材料因高铟含量面临效率衰减和成本问题，而20世纪90年代曾被寄予厚望的ZnSe体材料因p/n型掺杂困难被GaN取代。然而，随着量子点发光二极管（QLED）结构的兴起，无需掺杂的纳米晶（NCs）成为新选择——其中ZnSe因其2.7 eV直接带隙、环境友好特性及激子玻尔半径（3.8 nm）优势，重新进入研究者视野。但小尺寸ZnSe量子点（QDs<5 nm）因量子限制效应发射紫外光，难以满足460-470 nm真蓝光需求。

针对这一挑战，Vingroup创新基金会支持的研究团队通过水热法合成大尺寸ZnSe NCs，并系统研究其退火优化策略。研究采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱表征形貌结构，结合荧光寿命成像（FLIM）和激发功率依赖测试解析光学特性。结果显示：水热法生长的120 nm ZnSe NCs具有高结晶度，其激子发射（470 nm，FWHM=22 nm）呈现超线性功率依赖（指数1.4）和短寿命（0.19 ns），而缺陷相关发光（775 nm）则表现亚线性响应（指数0.65）和长寿命（187 ns）。关键在于300-400^oC氩气退火可修复晶格缺陷，使蓝光发射占比显著提升，且伴随0.17 ns的更短激子寿命和轻微红移。

关键技术方法
研究通过水热法调控生长时间（2-20小时）获得20-150 nm可调尺寸ZnSe NCs，使用Zn(OAc)₂·2H₂O和NaHSe作为前驱体。通过SEM/XRD确认120 nm NCs的立方闪锌矿结构，采用FLIM和变功率PL（光致发光）量化激子与缺陷发光的动力学差异，最后通过惰性气氛退火优化晶体质量。

研究结果
形态与结构
SEM显示生长时间10-15小时可获得120 nm NCs，XRD证实其立方晶系结构（晶格常数5.67 ?），拉曼光谱中LO声子模（250 cm^-1）进一步验证高结晶度。

光学特性
未退火样品存在双发射：窄激子峰（470 nm）源于带边跃迁，宽峰（775 nm）来自深能级复合。激子发射寿命比缺陷发光快三个数量级，且功率响应斜率差异（1.4 vs 0.65）反映二者不同的复合机制。

退火效应
400^oC退火使激子/缺陷发光强度比提升3倍，晶格完整性改善通过XRD峰窄化（FWHM减小15%）证实，伴随激子寿命缩短至0.17 ns，符合缺陷减少导致的辐射复合增强。

结论与意义
该研究证实大尺寸ZnSe NCs可实现商用化要求的470 nm纯蓝光发射，其窄谱线宽（22 nm）优于传统InGaN材料。通过退火工艺抑制缺陷发光，使激子发射占比达90%以上，为无镉QLED提供了更环保的蓝光解决方案。研究揭示的尺寸-发光关联性（>10 nm避免紫外偏移）和退火优化策略，对推动ZnSe在Micro-LED和广色域显示中的应用具有重要指导价值。论文发表于《Optical Materials》，为第二代量子点显示技术发展提供了关键材料基础。