綠光磷化銦（lnP）量子點發光二極管（QD-LED）面臨著效率低和壽命短的問題，因此如何開發不含鎘（Cd）的QD-LED和照明器件仍受到阻礙。但是，目前人們并不清楚導致效率低和壽命短的主要原因。有鑒于此，河南大學申懷彬教授、陳斐、中國科學技術大學樊逢佳教授、北京交通大學唐愛偉教授等報道通過電化學激發瞬態吸收光譜（electrically excited transient absorption spectroscopy），發現目前最好的QD-LED（核-殼-殼結構的InP–ZnSeS–ZnS）低效率問題的原因是中間層ZnSeS產生的，其具有更高的勢壘，限制了電子濃度以及陷阱的飽和。這項研究發現，增加ZnSe中間層的厚度，并且替代目前常用的ZnSeS，能夠改善電子注入并且同時抑制泄露，實現了26.68%的峰值量子效率和1241h的T95壽命，性能達到報道的結果的1.6倍和165倍。亮度超過270000cd m-2，數值達到目前的紀錄。實驗結果能夠使用量子WKB隧穿模型（Wentzel–Kramers–Brillouin）解釋。 通過電化學激發瞬態吸收光譜（EETA）觀測QE-LED中的電子性質，這種技術使用電化學激發電子，而不是激光。EETA技術能夠表征量子點和其他層內的電子和空穴淬滅過程，是一種非常好的技術能夠觀測QE的電子性質。測試電子布居數目（<Ne>）。通過比較EETA光譜和PETA光譜的淬滅過程，能夠從EETA光譜得到<Ne>。分別測試了紅色、綠色、藍色的Cd基QD-LED，發現 <Ne>在4V分別為0.45、0.26、0.15，對應于量子效率分別為27.11%、23.20%、21.00%。作者根據ABC模型J = An+Bn2+Cn3解釋QE性質。隨后發現InP–ZnSeS–ZnS QD-LED遵循同樣規律，但是比CdSe QE-LED具有更加顯著的降低。對紅色光和綠色光的分別為0.50和0.09。因此，綠光InP QD-LED的低效率主要原因是電子濃度低。根據ABC模型，難以克服電子俘獲的能量損失。作者通過減少電子注入的勢壘，提高電子濃度，改善InP QE-LED在540nm的綠光壽命。首先，嘗試了逐步降低ZnSeS中間層的ZnS成分，同時保持厚度為2.5nm，并且ZnS外層（0.5nm）不變。EETA光譜表征結果表明，ZnS含量減少，<Ne>逐漸增加，導致量子效率從7.43%增至15.12%。但是這個量子效率仍然難以達到紅色lnP QD-LED。圖2. 改善InP QD-LED綠色光量子效率的方法研究發現ZnSe中間層的ZnS成分減少，導致空穴濃度降低，這是因為空穴注入得到改善。而且，發現空穴漂白測試結果的異常減少，這導致更多的電子泄露。因此，電子泄露的增加導致增加電子濃度對改善量子效率的效果非常有限。隨后，通過增加ZnSe中間層的厚度改善量子效率。通過EETA光譜表征發現，當ZnSe殼層的厚度減少，電子濃度只有少量降低，但是與2.5nm ZnSeS殼的QE LED對比發現，ZnSe中間層內的電子濃度顯著改善。因此，通過這種方法，綠色lnP QD-LED的量子效率突破25%。根據實驗結果，降低ZnSeS中間層的ZnS比例可以更有效的電子注入。但是同時增加了電子泄漏，導致量子效率的提升非常有限。相比，增加ZnSe中間層的厚度能夠同時實現高效率的電子注入和較低的電子泄漏，因此顯著的增強綠色InP基QD LED的量子效率。這個現象能夠通過WKB量子隧穿模型解釋。根據WKB鏈子隧穿模型，比較了2.5nm ZnSeS、2.5nm ZnSe、4.5nm ZnSe中間層的QE LED量子點。發現ZnSeS中間層內的ZnSe含量降低，能夠顯著增加Tinjection和Tleakage。這與改善量子效率的效果非常有限相符。但是，當使用純ZnSe中間層同時提高中間層的厚度，發現Tinjection和Tleakage都降低，而且Tleakage的降低比Tinjection的降低更加顯著，因此Tinjection/Tleakage增加。這個現象使得量子效率發生顯著的改善。測試ZnSe中間層厚度為4.0nm的QD-LED。由于高效率的電子注入，器件表現了低于帶隙的啟動電壓，而且由于電子泄露較低，實現了26.68%的量子效率，112.56cd A-1的電流效率，277000cd m-2的最大亮度。這些參數是綠色InP量子點的最高數值。 圖4. InP厚層ZnSe-ZnS QD-LED的性能在3.0V和9.0mA cm-2電流密度時，亮度高達6718cd m-2，在這個亮度的T90和T50分別達到35.9h和203h。100cd m-2的T95壽命達到89900h，T50壽命達到1241h。這不僅比其他殼層量子點器件的性能更高，而且性能達到報道的InP QE-LED的165倍。在100cd m-2的T50達到50800h，比目前最高的結果高8倍。Bian, Y., Yan, X., Chen, F. et al. Efficient green InP-based QD-LED by controlling electron injection and leakage. Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08197-zhttps://www.nature.com/articles/s41586-024-08197-z
