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量子点显示有望突破镉系垄断:南理工曾海波团队报道全无机钙钛矿量子点LED

近日,南京理工大学纳米光电材料研究所曾海波团队在量子点显示方面取得重要进展,有望突破传统镉系量子点以及QDVision等国际公司的垄断研究成果以“全无机钙钛矿量子点LED”、“全无机钙钛矿量子点LED:一类新型激光发射材料”为题背靠背同期发表于 Advanced Materials 期刊 (adma.201502567; adma.201503573),并被选为该期封面。

量子点显示有望突破镉系垄断:南理工曾海波团队报道全无机钙钛矿量子点LED

半导体胶体量子点,具有溶液法制备、容易加工、颜色可调、量子产率高等突出特点,在发光二极管、光源、显示、太阳能电池、荧光标记等光电器件领域具有广泛的应用前景。作为新型的发光材料,发光峰窄、发光颜色可调的特点使其非常适合应用在显示器领域。量子点在显示技术领域的应用主要包括两个方面:基于量子点电致发光特性的量子点发光二极管显示技术和基于量子点光致发光特性的量子点背光源技术。两个方面都极具优异性,除了制造极薄、极轻的显示屏外,其色彩表现优秀,色域度提升50%,亮度有效提升30%-40%,为用户带来更鲜艳真实的色彩,几乎可与OLED色彩饱和度优势相抗衡。尤其值得注意的是,2015年是量子点背光显示的发展关键时期,三星与TCL等公司在年初已经发布了规划,量子点电视、量子点手机、量子点平板电脑等或许即将与用户见面。

目前量子点的研究主要集中在经典的镉基化合物半导体量子点材料上,一般采用厚核壳结构,制备工艺复杂,未来产业化可能面临价格、成本、环境问题等挑战。此外,已有的经典量子点材料的专利,基本上被QDVision、Nanosys、NANOCO等少数几个公司垄断。因此,发展有自主产权、无镉、高品质的新型量子点LED,既是该领域的关键科学问题,也是我国量子点显示工业化发展的关键技术问题。

近几年来,由于具有低成本、载流子迁移率高、光吸收系数大等特点,有机-无机杂化钙钛矿(CH3NH3PbX3, X = Cl, Br, I)材料,在太阳能电池领域有非常优异的表现。但是,由于大量的本征缺陷的存在,有机无机杂化钙钛矿薄膜的荧光量子效率通常很低(<20%),限制了其在电致发光、激光、显示等领域中的应用。最近研究表明,随着钙钛矿尺寸的减小,可以有效地降低其内部缺陷的数目,减少非辐射跃迁,提高其荧光效率。然而,稳定性差这一严重问题一直制约着有机-无机杂化钙钛矿量子点的发展。

2014年夏天,曾海波团队李晓明博士研究生等人采用热注入技术,制备了结晶度高、形貌单一、尺寸分布窄的全无机钙钛矿铯铅卤量子点(CsPbX3,X=Cl,Br,I)。通过改变反应温度等参数,实现了尺寸与成分的大范围调控,从而能够在整个可见光范围内调控量子点发光颜色(400-800 nm),各种颜色发光量子效率均高于70%,绿光高达90%以上。2015年,团队成员宋继中、李建海等博士研究生通过优化设计,采用ITO/PEDOT:PSS/PVK/QDs/TPBi/LiF/Al器件构型,构筑了无机钙钛矿量子点QLED器件,实现了红绿蓝三基色等多种颜色的电致发光,这是该体系QLED的首次报道。

与经典的镉系量子点相比,全无机钙钛矿量子点展现出更窄的发光峰(15~25 nm)、更广的色域(150%NTSC),因此在量子点显示领域将具有重要的应用前景。从2014年开始,曾海波团队就已经围绕这一量子点新体系的合成、处理,及其器件等申请了一系列专利。

此外,全无机钙钛矿量子点在激光显示领域也具有一定的应用潜力。通过与新加坡南洋理工大学孙汉东教授合作,实现了该体系的受激发射,在红绿蓝三基色获得了低阈值的激光。

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