调控偶极矩空间取向大幅提高量子点LED外量子效率（物理研究）

This proposal aims at improving the external quantum efficiency of quantum dot LEDs by 1.5 times from currently the highest value of 20.5% to about 30%. The external quantum efficiency describes how efficiently LEDs perform, which is crucial for their applications in lighting and display..We will use CdSe/CdS nanoplatelet quantum dots as emitters, and control their spatial orientation by nanocrystal self-assembly. By controlling the alignment of the nanoplatelets, we can realize that dipole moment of all emitters is parallel to the device surface plane, and can largely improve the external quantum efficiency of the devices. In the current quantum dot LEDs, the dipole moment orientation is a random distribution, which results in a maximum device out-coupling efficiency of about 20%. This is the main obstacle for further improving quantum dot LED efficiency. If all the dipoles are orientated parallel to the device surface plane, the out-coupling efficiency can be improved by 1.5 times to about 30%..Three main aspects will be studied: synthesis of high photoluminescence quantum yield CdSe/CdS nanoplatelets, self-assembly of nanoplatelet films, and development of quantum dot LEDs based on self-assembled nanoplatelets.

本申请项目将有望把量子点LED的外量子效率从目前最高的20.5%提高1.5倍，达到30%左右。LED的外量子效率是器件电光转换的最终有效效率，是器件实现在照明和显示领域应用极为重要的指标。.本项目将通过控制纳米片型量子点自组装的途径，调控量子点光辐射偶极矩空间取向，达到实现偶极矩全部平行于器件水平平面，以提高量子点LED的外量子效率。现有量子点LED中，发光体的光辐射偶极矩分布都是空间各向同性的，在这种情况下，光辐射出器件的外耦合效率最高为20%左右，是限制进一步提高效率的主要障碍；而在偶极矩全部平行于器件水平平面的情况下，外耦合效率可以提高1.5倍。.项目研究具体内容将包括三个部分，高荧光量子效率的CdSe/CdS核壳型纳米片量子点合成，纳米片量子点的精确可控自组装，纳米片量子点自组装LED制备。

半导体纳米晶体是实现下一代超高清显示的优势材料体系。基于纳米晶（量子点）的发光二极管（LED）器件性能正逐步达到工业应用标准。传统量子点发光线宽较宽（~25 nm），且无取向性，因此器件的色纯度和量子效率均受到限制。新型的片型纳米晶（纳米片）具有一维强限域和原子级平整表面，其发光具有更窄的线宽（~15 nm）和面外取向性，具有很好的原始性能优势，但相关的材料制备和器件研究尚处于初始起步阶段。项目针对材料制备方法、自组装控制方法以及器件研究等方面的不足，开展了系统性研究：首先从纳米片的缺陷出发，发展了相对应的钝化方法，提出了并实现了新型渐变组分纳米片的结构和合成方法创新，在绿光区首次实现了宽谱的连续带隙可调性，并在红、绿、蓝三原色的纳米片中都将荧光量子产率提升到了接近100%；然后，开展了面向器件应用的纳米片自组装研究工作，结合LED器件制备通常采用的喷墨打印和旋涂作为沉积手段，对纳米片成膜时的自组装过程进行控制，实现了纳米片的微观“平躺”取向分布；最后，通过对纳米片LED的器件结构和制备参数进行优化，实现了高色纯度和高效率绿光纳米片LED，器件外量子效率达到了9.8%，超过了此前5%的效率记录，为当前报道效率最高的绿光纳米片LED，其光谱半峰宽最窄为17 nm，器件发光在当前所报道绿光LED中最接近ITU-R Recommendation BT. 2020（Rec. 2020）色域中绿色标准点位，在纳米晶LED器件中具有最高的绿光色纯度；而在蓝光纳米片LED中实现了半高宽最低至11 nm 和高至1.2%的外量子效率，为现阶段纯蓝光（460 nm）纳米片发光二极管中最高的技术指标；在红光纳米片LED中实现了高到27%的EQE，即使相比于传统量子点纳米晶LED（~20%），EQE得到了大幅提升，达到了项目计划目标。在本面上项目基金的支持下，我们在取得了高性能的片型纳米晶材料的合成制备，开发了纳米晶的自组装控制技术，实现了高效率的纳米晶LED，为我国下一代超高清显示技术的发展掌握了原始的材料基础，探索了新技术路线，发展了高效显示单元，我们将在此基础之上进一步努力推进基于纳米晶的超高清显示技术的发展和应用，推动我们国家占有技术领先地位。