封面论文！量子点LED器件发光效率突破200 lm/W！

纳米人

2021-04-21

第一作者：李家声

通讯作者：李宗涛

通讯单位：华南理工大学 机械与汽车工程学院

研究亮点：

1. 利用湿法机械搅拌把量子点高效组装于粒径匹配的直方通孔结构，后续封装过程免去有机溶剂的使用，与传统LED器件批量化生产工艺兼容。

2. 揭示量子点粒子群在直方通孔结构的强化出光机制：通孔结构被低折射率硅树脂填充，折射率差异可抑制光子在通孔内部硅树脂基材的传播，显著减少重吸收损耗。

3. 系统优化结构制造参数与封装方法，获得了电-光转换效率超过200 lm/W的同类器件公开报道最高值（经CNAS认证第三方机构检测）。

研究背景

量子点色转换技术是Mini/Micro LED、OLED以及LCD宽色域显示的共性关键技术，在超清显示、虚拟显示等新兴领域极具应用潜力。目前，硒化镉、钙钛矿等量子点的光致发光效率已超过85%，高于传统稀土荧光粉材料，然而封装制成LED器件的发光效率普遍在50-130 lm/W（理论效率＞200 lm/W），上述矛盾已困扰学界与行业多年，低下的发光效率严重制约量子点LED显示技术的实际应用。

成果简介

华南理工大学功能结构先进制造研究团队李宗涛教授、李家声博士后等人首先针对量子点LED器件发光效率低下的机理进行深入研究，建立了考虑粒子多重激发与团聚特征的器件光学模型，结合实验与模拟证实量子点重吸收[1, 2]、团聚散射效应[3]是器件出光损耗严重的关键因素。这主要是因为LED器件需要较高的量子点浓度以获得与应用场景匹配的光谱成分，而量子点的吸收边与荧光光谱存在重叠现象，在粒子密度较高情况下，所发射光子有较大概率被四周量子点颗粒吸收损耗；同时，高浓度也会加剧量子点颗粒的团聚，在增加重吸收损耗之余，还会因颗粒尺寸增大（从纳米增加至亚微米）而形成严重的米氏散射损耗，不利于器件出光。因此，如何从纳米粒子群内部高效提取荧光光子能量，是改善量子点LED器件发光性能的一大科学与技术挑战。

围绕上述难题，该团队提出直方通孔复合量子点色转换结构及其强化出光机制[4]，成功突破了量子点LED器件的发光效率瓶颈，获得超过200 lm/W的同类器件公开报道最高效率（经CNAS认证第三方机构检测）。该工作改变了以往仅利用光功能结构来增加量子点激发强度以及减少界面内全反射损耗的传统策略，为高效量子点LED器件光功能结构设计与制造提供了新的思路。

图1. 论文封面、原理以及效率对比。

上述研究由华南理工大学（通讯单位）联合佛山市国星光电股份有限公司等单位完成，近期在国际著名期刊ACS Nano（IF 14.588）以封面形式发表。论文通讯作者为华南理工大学李宗涛教授，第一作者为华南理工大学李家声博士后。

文献链接

Jia-Sheng Li, et al. Toward 200 Lumens per Watt of Quantum-Dot White-Light-Emitting Diodes by Reducing Reabsorption Loss. ACS Nano 2021,

DOI：10.1021/acsnano.0c05735

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05735

参考文献

[1]      Jia-Sheng Li, Yong Tang, Zong-Tao Li* et al., Effect of Quantum Dot Scattering and Absorption on the Optical Performance of White Light-Emitting Diodes, IEEE Transactions on Electron Devices 65(7): 2877-2884, 2018.

[2]      Jia-Sheng Li. Yong Tang, Zong-Tao Li* et al., Study on Reabsorption Properties of Quantum Dot Color Convertors for Light-Emitting Diode Packaging, (ASME) Journal of Electronic Packaging 141(4): 041006, 2019.

[3]      Zong-Tao Li, Jie-Xin Li, Jia-Sheng Li * et al., Unraveling the Origin of Low Optical Efficiency for Quantum Dot White Light-Emitting Diodes From the Perspective of Aggregation-Induced Scattering Effect, IEEE Transactions on Electron Devices 68(4): 1738-1745, 2021.

[4]      Jia-Sheng Li, Yong Tang, Zong-Tao Li*, Hao-Chung Kuo et al., Toward 200 Lumens per Watt of Quantum-Dot White-Light-Emitting Diodes by Reducing Reabsorption Loss, ACS Nano 15(1): 550-562, 2021.

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05735

作者简介

华南理工大学李宗涛教授所在的功能结构先进制造研究团队，近年来在LED器件设计与制造领域发表SCI论文80余篇（含ESI高被引论文4篇、封面论文3篇），主持承担国家自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金团队项目、广东省应用专项重点项目等为代表的20余项科技攻关项目，以第一完成单位获国家科学技术进步二等奖、广东省科学技术进步一等奖、中国专利优秀奖等国家省部级奖励10余项，主持或参与起草“IECQ OD3803”、“半导体器件第10部分：分立器件和集成电路总规范”、“半导体紫外发射二极管 第3 部分：器件规范”等国际\国家（行业）标准。