近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)團(tuán)隊(duì)”高宇南課題組與浙江大學(xué)金一政課題組合作，通過使用陽離子交換方法，成功制備高熒光量子產(chǎn)率的核/殼結(jié)構(gòu)硒鋅鎘/硫化鋅膠體量子阱，并由此制備高性能的膠體量子阱發(fā)光二極管。

2024年12月10日，相關(guān)研究成果以“由 CdZnSe/ZnS 核/殼膠體量子阱實(shí)現(xiàn)的高性能綠光和藍(lán)光發(fā)光二極管”（High‐Performance Green and Blue Light-Emitting Diodes Enabled by CdZnSe/ZnS Core/Shell Colloidal Quantum Wells）為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。

膠體量子阱（CQWs）獨(dú)特的各向異性特性使其在納米晶基器件中具有很高的應(yīng)用前景。然而，基于CQWs的綠色和藍(lán)色發(fā)光二極管的有限性能阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用。在本研究中，首次通過直接陽離子交換實(shí)現(xiàn)了具有特定尺寸、形狀和晶體結(jié)構(gòu)的合金硒鋅鎘CQWs。這種方法有效使得納米晶的發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移，并能維持量子阱的片狀形貌，為后續(xù)的溶液外延生長(zhǎng)提供種子。

圖1. 陽離子交換反應(yīng)示意圖和樣品照片

研究團(tuán)隊(duì)考慮到異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)于納米晶表面缺陷的鈍化作用，通過熱注入殼層生長(zhǎng)方法在硒鋅鎘核外側(cè)外延生長(zhǎng)硫化鋅保護(hù)層。這種方法有效地提升了納米晶的發(fā)光效率與提純穩(wěn)定性，為后續(xù)的器件制備提供了優(yōu)良的發(fā)光材料。值得一提的是，該策略有效解決了長(zhǎng)期困擾膠體量子阱領(lǐng)域有關(guān)發(fā)光波長(zhǎng)過度紅移的問題，在藍(lán)光區(qū)與綠光區(qū)均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的發(fā)光性能。

圖2.高溫?zé)嶙⑷霘由L(zhǎng)示意圖。（a）CdZnSe/ZnS核殼CQWs合成示意圖。（b) CQWs溶液的吸收光譜和光致發(fā)光光譜。c) 反應(yīng)過程中熒光峰波長(zhǎng)和半寬的變化。d) CQWs的瞬態(tài)熒光衰減曲線。e)綠色和藍(lán)色CQWs的熒光量子產(chǎn)率。

研究團(tuán)隊(duì)利用新型的藍(lán)綠膠體量子阱制備出高性能的發(fā)光二極管。該器件顯示出顯著的峰值外量子效率（綠色為20.4%，藍(lán)色為10.6%），伴隨著綠色和藍(lán)色的最大亮度分別為347,683 cd m-2和38,063 cd m-2。相較于此前的工作，器件的穩(wěn)定性也有著巨大提升，綠光和藍(lán)光器件壽命可達(dá)到14,000和195 小時(shí)。器件的高性能表現(xiàn)代表了納米晶發(fā)光二極管（Nc-LED）的重大進(jìn)步，并為將來各向異性納米晶的領(lǐng)域提供重要合成策略。

圖3. a)器件結(jié)構(gòu)示意圖。b)器件外量子效率-亮度示意圖。

該成果中，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所博士研究生朱云柯、邱晶晶，浙江大學(xué)化學(xué)系博士研究生魯修遠(yuǎn)為共同第一作者；北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所高宇南研究員、白鵬博士，浙江大學(xué)化學(xué)系金一政教授為共同通訊作者。合作者包括北京大學(xué)物理學(xué)院、浙江大學(xué)化學(xué)系、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室，以及京東方多位研究人員。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部納光電科學(xué)研究中心，北京大學(xué)長(zhǎng)三角光電研究院，以及京東方科技集團(tuán)股份有限公司等的支持。（來源：北京大學(xué)）

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