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世界首臺(tái)電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜儀。代蕊/攝

白熾燈點(diǎn)亮了20世紀(jì)，發(fā)光二極管（LED）點(diǎn)亮了21世紀(jì)。LED是業(yè)界公認(rèn)的新一代顯示與照明技術(shù)的核心器件。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)科大）教授樊逢佳與河南大學(xué)教授申懷彬合作，利用自主研發(fā)的“LED拍片機(jī)”，破解了綠色磷化銦基量子點(diǎn)LED效率和壽命難題，并刷新多項(xiàng)世界紀(jì)錄。這標(biāo)志著我國(guó)在環(huán)保型量子點(diǎn)顯示和照明技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。

11月21日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)：“該研究選題重要且具有時(shí)效性，作者清晰闡明了量子點(diǎn)LED開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，尤其是電荷注入勢(shì)壘、電荷分布及相關(guān)分析方法，并利用電激發(fā)瞬態(tài)吸收光技術(shù)深入解析磷化銦基量子點(diǎn)LED電荷濃度及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，取得了定量且有價(jià)值的研究成果。”

研制首臺(tái)電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜儀

LED顯示屏無(wú)處不在，LED照明產(chǎn)業(yè)更是我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的重要支柱。隨著技術(shù)進(jìn)步，一大批新興顯示和照明LED，如量子點(diǎn)LED、下一代有機(jī)LED、微型LED嶄露頭角。

在國(guó)外做博士后研究時(shí)，樊逢佳便開(kāi)始接觸LED。“我注意到國(guó)際上沒(méi)有課題組專(zhuān)門(mén)研發(fā)新儀器，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證新興LED的內(nèi)部機(jī)制問(wèn)題，只有少量研究人員在做相關(guān)的理論計(jì)算?！?/p>

事實(shí)上，正是由于缺乏原位、直觀的表征手段，LED內(nèi)部好像一個(gè)“黑匣子”，研究人員“看得不夠清楚”，對(duì)其內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制也理解得不充分。

2017年9月，樊逢佳回國(guó)加入中國(guó)科大，開(kāi)始組建團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注研究量子點(diǎn)LED關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)兩年技術(shù)攻關(guān)，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出世界首臺(tái)電激發(fā)瞬態(tài)吸收光譜儀，并獲得國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)。

樊逢佳解釋說(shuō)，人骨折就醫(yī)，得先拍片子才能診斷。這臺(tái)儀器相當(dāng)于為L(zhǎng)ED“拍片子”的CT機(jī)，不僅能實(shí)時(shí)捕捉LED內(nèi)部載流子的活動(dòng)，還能清晰描繪其電場(chǎng)分布。借助這一“超級(jí)視野”，研究人員終于能對(duì)LED內(nèi)部進(jìn)行全面“體檢”。

該儀器的科學(xué)原理就是把傳統(tǒng)光激發(fā)瞬態(tài)吸收的“光激發(fā)、光探測(cè)”模式升級(jí)為“電激發(fā)、光探測(cè)”，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子和電場(chǎng)的原位監(jiān)測(cè)。

利用該儀器，樊逢佳等人取得諸多研究成果，如揭示了影響量子點(diǎn)LED電流和電壓效率的限制因素、探明了藍(lán)光量子點(diǎn)LED的性能衰減機(jī)制、發(fā)現(xiàn)了“電激發(fā)”過(guò)程中新奇的物理現(xiàn)象。

“這項(xiàng)技術(shù)的突破，不僅為理解和優(yōu)化LED性能提供了強(qiáng)大支持，還有助于發(fā)現(xiàn)物質(zhì)新現(xiàn)象、研究物質(zhì)新規(guī)律?！狈昙颜f(shuō)。近年來(lái)，他們還發(fā)展了噪聲抑制算法，將儀器靈敏度提高到十萬(wàn)分之一。

攻堅(jiān)顯示工業(yè)“皇冠上的明珠”

量子點(diǎn)是一種全新概念的半導(dǎo)體納米晶體，表現(xiàn)出尺寸依賴(lài)的光學(xué)效應(yīng)，即不同尺寸可以發(fā)出不同顏色的光，而且色純度非常高。這一獨(dú)特的光學(xué)性能使量子點(diǎn)成為最好的發(fā)光材料之一，被應(yīng)用在量子點(diǎn)LED等顯示領(lǐng)域。

樊逢佳介紹：“量子點(diǎn)LED分為有鎘和無(wú)鎘。無(wú)鎘無(wú)鉛量子點(diǎn)LED由于其環(huán)境友好優(yōu)勢(shì)，備受研究人員青睞，以磷化銦體系為代表的量子點(diǎn)LED則被譽(yù)為顯示工業(yè)‘皇冠上的明珠’?！?/p>

2019年、2020年，韓國(guó)三星集團(tuán)在《自然》連發(fā)兩篇無(wú)鎘量子點(diǎn)LED論文，展示了他們?cè)诩t色和藍(lán)色磷化銦基量子點(diǎn)LED器件中取得的進(jìn)展，代表了當(dāng)時(shí)國(guó)際上關(guān)于無(wú)鎘量子點(diǎn)LED研究的最高水平。

然而，隨后幾年里，國(guó)際上關(guān)于綠色磷化銦基量子點(diǎn)LED的研究遲遲未有突破。綠色磷化銦基量子點(diǎn)LED的效率和壽命仍落后于紅色和藍(lán)色的磷化銦基量子點(diǎn)LED，成為制約環(huán)境友好型全彩量子點(diǎn)LED產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

在無(wú)鎘無(wú)鉛量子點(diǎn)LED中，為什么紅色和藍(lán)色器件表現(xiàn)優(yōu)異，而綠色卻始終難以突破？這成為顯示領(lǐng)域的未解之謎。

申懷彬長(zhǎng)期從事量子點(diǎn)LED的設(shè)計(jì)工作，是多項(xiàng)量子點(diǎn)LED性能世界紀(jì)錄的保持者。自2018年與樊逢佳結(jié)識(shí)后，兩人便成為親密的合作伙伴，在科研上取得了一系列成果。

這次，他們?cè)俣葦y手，向量子點(diǎn)顯示工業(yè)“皇冠上的明珠”——綠色環(huán)境友好型磷化銦基量子點(diǎn)LED發(fā)起攻堅(jiān)。

新方案破解“水池難題”

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)“拍片機(jī)”的“診斷”，發(fā)現(xiàn)綠色磷化銦基量子點(diǎn)LED性能較低的主要原因在于兩點(diǎn)——電子注入不足和電子泄漏嚴(yán)重。想象一下，本該流向“蓄水池”的電子，一邊是“進(jìn)水管”堵塞，一邊是池底有“泄漏”，這就導(dǎo)致電子“蓄水池”無(wú)法裝滿。

為了解決難題，研究團(tuán)隊(duì)提出“低、寬勢(shì)壘”的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，對(duì)電子“蓄水池”進(jìn)行全面升級(jí)。通過(guò)拓寬“進(jìn)水管”，讓更多電子順暢流入量子點(diǎn)發(fā)光層，同時(shí)在池底加裝防漏板，避免電子從中流失。

“優(yōu)化后的綠色磷化銦基量子點(diǎn)LED不僅效率提高到26.68%，亮度更是突破了27萬(wàn)坎德拉每平方米，器件發(fā)光壽命大幅延長(zhǎng)到1241小時(shí)，刷新了多項(xiàng)世界紀(jì)錄?！鄙陸驯蛘f(shuō)。

“這表明我國(guó)環(huán)保型量子點(diǎn)LED技術(shù)邁入了一個(gè)新階段?！狈昙驯硎?，下一步，團(tuán)隊(duì)將努力推動(dòng)環(huán)保型量子點(diǎn)LED從實(shí)驗(yàn)室走向貨架，將技術(shù)真正轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，為市場(chǎng)帶來(lái)高性能、環(huán)保的顯示技術(shù)，同時(shí)推動(dòng)綠色顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08197-z

（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-11-22?第1版?要聞）