高效稳定的近红外InAs量子点发光二极管：锌氟化物调控与原位光交联空穴传输层的突破

编辑推荐：针对近红外量子点发光二极管（NIR QD-LEDs）效率低、稳定性差的核心难题，中国研究团队通过锌氟化物（ZnF2）调控InAs/InP/ZnSe/ZnS量子点壳层生长均一性，结合原位光交联空穴传输材料（HTL）设计，实现了峰值外量子效率（EQE）20.5%、辐射亮度581.4 W sr-1 m-2和550小时（T50）寿命的突破性性能，为无重金属近红外光源的实用化奠定基础。

　　

在夜视、生物成像和光通信等领域，近红外（700-1700 nm）光源具有不可替代的应用价值。然而，当前商用的可见光量子点发光二极管（QD-LEDs）已日趋成熟，其近红外 counterparts 却因量子点质量缺陷和器件结构限制而进展缓慢。尤其令人困扰的是，传统高性能近红外量子点多含铅、镉等有毒元素，受欧盟《有害物质限制指令》（RoHS）严格管控；而无毒替代材料如InAs量子点虽具备波长可调（700-1700 nm）优势，却面临合成控制难、效率低（EQE<13.3%）和寿命短（T₅₀<1小时）三大瓶颈。如何通过材料设计与器件工程协同突破这些限制，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

针对这一挑战，中国西湖大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项里程碑式研究。他们创新性地采用锌氟化物（ZnF₂）作为合成调控剂，成功制备出具有近100%荧光量子产率（PLQY）的InAs/InP/ZnSe/ZnS核壳量子点；同时开发出原位光交联空穴传输层（HTL）技术，解决了窄带隙量子点中空穴注入不平衡的难题。最终实现的近红外QD-LEDs不仅刷新了无重金属器件的效率纪录（EQE 20.5%），更在辐射强度（581.4 W sr^-1 m^-2）和稳定性（T₅₀=550小时@50 W sr^-1 m^-2）方面树立了新标杆，为柔性电子、生物医学设备等应用提供了关键技术支撑。

研究团队通过多学科技术联用揭示了关键机制：采用时间相关单光子计数（TCSPC）证实量子点的单指数衰减特性；利用高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）解析核壳结构的原子级排列；结合密度泛函理论（DFT）计算阐明ZnF₂通过调控不同晶面生长动力学实现形貌均一化的原理；通过电泵浦瞬态吸收光谱（ETA）追踪器件降解过程中的斯塔克效应变化，确证光交联HTL对稳定性的提升作用。

在量子点合成方面，研究人员发现ZnF₂高温分解产生的HF能动态平衡不同晶面的生长速率。DFT计算显示，氟化物优先占据{111}晶面（结合能-1.6 eV），抑制该方向的过度生长，而{100}晶面因硒（Se）更强结合力维持正常生长，最终获得尺寸均一（13.5 nm）、荧光半峰宽仅124 meV的量子点。这种"氟化物介导的壳层生长均一化"策略使InAs/InP/ZnSe/ZnS量子点的PLQY从78%（无ZnF₂）提升至近100%。

器件创新上，团队设计出TFB:CBPV（4,4'-双(3-乙烯基-9H-咔唑-9-基)-1,1'-联苯）光交联HTL体系。紫外光引发CBPV分子间交联形成刚性网络，将TFB空穴传输片段"锚定"在具有深HOMO能级（-5.32 eV）的基质中。这种结构既保持了10^-3 cm² V^-1 s^-1的高空穴迁移率，又通过能级梯度优化将空穴注入效率提升3倍，彻底消除了传统HTL中常见的寄生发光现象（EL谱中905 nm处无杂峰）。

性能测试显示，优化后的QD-LEDs在3.3V驱动电压下实现20.5% EQE，且在0.15-244 mA cm^-2宽电流范围内保持>10%效率（45个器件平均EQE 18.5%）。加速老化实验证实，光交联HTL将器件T₅₀寿命从146小时延长至550小时，ETA分析表明该设计有效抑制了空穴积累导致的传输层氧化降解。

这项研究通过"材料合成-器件物理"的深度融合，解决了近红外QD-LEDs领域长期存在的效率-稳定性权衡难题。其创新性体现在三方面：首先，ZnF₂添加剂策略为无毒量子点的可控合成提供了普适方法；其次，光交联HTL技术可拓展至其他窄带隙半导体器件；最后，550小时的操作寿命使器件实用性获得质的飞跃。正如论文通讯作者Botao Ji强调的，这项技术完全兼容卷对卷（roll-to-roll）印刷工艺，为近红外量子点在大面积柔性器件和微型化生物传感器的应用开辟了新路径。