溶液处理的量子点发光二极管实现纳秒脉冲电致发光及应用

为开发超快 QLED，研究人员揭示其载流子注入等动力学，实现 20 ns 脉冲发光，用于多领域。

　　在光电子等领域，具有高瞬时功率的超短光发射至关重要，它被广泛应用于超快光电子学、超快光谱学、高分辨率快速成像显微镜以及材料加工等前沿领域。以往，纳秒到飞秒级别的超短光发射通常依赖价格高昂的激光器来获得。为降低成本，科研人员尝试从无机 III - 氮化物基发光二极管（LED）开发纳秒脉冲电致发光（EL），虽取得一定成果，但基于胶体 CdSe 或 InP 量子点（QDs）的量子点发光二极管（QLED）此前尚未实现纳秒脉冲发射。尽管 QLED 在显示应用方面备受关注，具备低成本、易集成等优势，然而其超快响应特性的研究却相对滞后，限制了它在更多领域的应用拓展。

为突破这一困境，来自未知研究机构的科研人员开展了深入研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。该研究意义重大，不仅揭示了 QLED 中电荷注入和传输过程的动力学机制，还成功实现了 QLED 的纳秒脉冲电致发光，为其在多个领域的广泛应用开辟了新途径。

在研究方法上，科研人员主要运用了以下关键技术：一是将 QLED 等效为电阻 - 电容（RC）电路模型，通过拟合瞬态电流（TRC）来获取电路参数，进而分析载流子的注入、传输和复合过程；二是改变 QLED 功能层的厚度，测量不同厚度下的 TRC 和 EL，以此探究各功能层对电荷积累和传输的影响；三是搭建时间分辨光致发光（TRPL）光谱装置和高速成像系统，用于测试 QLED 在时间分辨荧光光谱和高速成像方面的应用性能。

研究结果如下：

1. 电荷载流子注入、积累、传输和复合动力学：把 QLED 看作 RC 等效电路，其中Rs代表电极引线和接触产生的串联电阻，Rd表示受驱动电流调制的二极管电阻，C是由空间电荷区导致的结电容。通过对不同功能层厚度的 QLED 的 TRC 和 EL 进行测量与拟合，发现聚 [(9,9 - 二辛基芴基 - 2,7 - 二基)-alt-(4,4'-(N-(4 - 丁基苯基)))]（TFB）作为电容的介电层，电荷主要在 TFB 界面两侧积累。EL 延迟时间（Td）受 TFB 厚度影响较大，随着 TFB 厚度减小而缩短；EL 上升时间（Tr）主要由量子点（QD）厚度决定，QD 厚度降低时Tr显著减小。由此得出 QLED 中电荷注入、积累、传输和复合过程的物理图像：施加电压时，载流子快速注入给电容充电，充电结束后在 TFB 界面两侧积累；t=Td时，第一个空穴穿过 TFB 与 QD 中的电子复合，随后更多空穴复合使 EL 增强；t=Ts时，大部分空穴穿过 QD 与电子充分复合，EL 达到稳定状态。
2. 快速响应 QLED 的优化：有效热管理能显著降低面积归一化的Rd。比如，减小 QLED 的发射面积并使用导热性更好的 Si 衬底，可减少焦耳热的产生和积累，提高电流，降低Rd，从而缩短Tr。同时，通过为 IZO 顶部电极配备周边辅助 Al 电极并进行后退火处理，能有效降低Rs。优化后的 QLED 在 8 V 电压下，电流提升了 8.7 倍，Tr从 2930 ns 大幅缩短至 300 ns。
3. 高电流驱动 QLED 的纳秒脉冲 EL：优化后的 QLED 在高电流驱动下，能输出稳定且可重复的 20 ns 脉冲 EL，重复频率为 50 kHz，辐射出射度高达 5.4 W/cm2 。在 35 V 电压、86 A/cm2 电流下，20 ns 脉冲 EL 的外量子效率（EQE）仍能保持在 3% 。该 QLED 可作为激光泵浦、光动力疗法、超快光谱学等领域的瞬时激发源，以及用于飞行时间测量和高速成像的快速曝光闪光灯。
4. 纳秒脉冲 QLED 在时间分辨荧光光谱和高速成像中的应用：将纳秒脉冲 EL 的 QLED 用作时间分辨荧光光谱的激发源，搭建了 TRPL 光谱装置。用其激发红色或红外 QD 溶液，所得结果与商用光谱仪测量结果相符，证明了该低成本 QLED 可替代昂贵激光器用于超快光谱应用。在高速成像方面，利用 20 ns 脉冲 EL 的绿色 QLED 作为曝光闪光灯，搭建高速成像系统。该系统能清晰捕捉快速下落墨滴的瞬间，相比传统成像方式，能有效冻结纳秒级的瞬态过程，扩展了相机的超高速成像能力。

研究结论和讨论部分指出，通过分析 QLED 的 RC 等效电路的 TRC，揭示了影响 QLED 响应的电荷注入和传输过程的动力学机制，为优化快速响应 QLED 提供了理论基础。优化后的 QLED 实现了 20 ns 的短脉冲发光，在多个领域展现出巨大的应用潜力。这一研究成果为 QLED 在激光泵浦、光动力疗法、超快光谱学、飞行时间测量和高速成像等新兴领域的应用开辟了道路，有望推动相关领域的技术进步和发展。