华南理工大学/马普所AEM综述：量子点发光二极管器件老化机理与稳定性提升策略

Wiley

2026-02-27

量子点发光二极管（QLED）因其具备高色纯度、发光波长可调和溶液加工性等优势，在下一代显示技术领域展现出巨大的应用潜力。然而，QLED在实际应用中仍面临严峻的稳定性挑战：在持续运行过程中常出现亮度先升后降的复杂演化行为，同时在储存期间出现不可控的效率提升现象。这些挑战导致器件性能不稳定和批次一致性较差，这严重阻碍了其商业化进程。这些不稳定性问题主要源于器件内部多重物理化学过程的协同作用，涉及量子点核壳结构、配体化学、不同功能层以及异质界面特性等多个维度。针对上述关键科学问题，华南理工大学牛泉教授团队与德国马克思普朗克高分子研究所Paul W.M. Blom教授系统综述了QLED在运行与储存过程中的老化机制与稳定性提升策略的最新研究进展。该综述首先深入分析了运行诱导的两种典型老化机制：正向老化（效率提升）和本征老化（性能衰减）的物理化学起源，并总结了从量子点材料工程到器件结构优化的多种有效策略。此外，还详细介绍了多种先进表征技术在揭示QLED老化过程中的关键作用。

QLED不稳定的表现与挑战

QLED在恒定电流应力下表现出复杂的亮度演化行为，主要包括两个典型阶段：初始亮度增强（正向老化，Positive Aging），随后进入不可逆的衰减（本征老化，Intrinsic Degradation）。同时，驱动电压呈现先下降后上升的反向变化趋势。此外，QLED在储存期间会出现不可预测的效率提升现象。这些不可控的性能变化导致不同批次器件的性能参数存在显著差异，严重制约了QLED的大规模生产重现性和商业化应用。

持续运行过程中的老化机制

1.电致正向老化：正向老化是指发光器件在电应力作用下效率呈现自我优化的现象，其本质源于器件内部电荷注入平衡的改善。本研究揭示了两种典型的正向老化机制：在初始电子注入过量的器件体系（如部分红光QLED），ZnO/Ag界面降解（如乙酸根离子积累）会导致电子注入能力降低，从而改善电荷平衡，提升器件效率。在空穴注入困难的器件体系（如部分蓝光QLED），空穴传输层与量子点界面处的电荷积累会形成界面偶极层，该偶极层能重构界面能带结构，有效降低空穴注入势垒，从而改善电荷平衡。（图1）

图1 量子点发光二极管电致正向老化机理示意图

2.电致本征老化：导致量子点发光器件性能不可逆衰减的关键过程，涉及器件各功能层及界面的协同退化机制。（图2）

• 量子点发光层的老化：量子点表面陷阱态的形成是器件效率衰减和驱动电压升高的主要原因，其形成途径包括：表面配体动态脱附，累积载流子（电子/空穴）导致配体（如油酸）解离，暴露出表面非辐射复合中心；电化学还原反应，注入电子将金属羧酸盐配体（如Cd(OA)₂）还原为金属单质，产生深能级陷阱；电子-激子相互作用会加速表面缺陷的形成。

• 空穴传输层的老化：电子泄漏是导致有机空穴传输层性能衰退的主要因素。由于QLED中普遍存在电子注入过量，电子会从量子点层泄漏至有机HTL中。这些泄漏的电子会引发电化学副反应（如C-N键断裂、分子氧化/还原），导致在HTL中产生陷阱态，从而降低空穴传输能力，引起驱动电压升高。

• 电子传输层的老化：电子或空穴在ZnO/QD界面处积累会导致界面老化，引起驱动电压升高；ZnMgO ETL中的Mg²⁺离子在电场下可能迁移进入量子点层，形成激子淬灭中心。

• 电极/界面不稳定：PEDOT:PSS的酸性会腐蚀ITO阳极，释放出的In³⁺离子扩散至发光层成为淬灭中心；ZnO/Ag界面也会因残留配体的迁移而退化。

图2 量子点发光二极管本征老化机理示意图

储存诱导的正向老化机制 

正向老化现象在QLED储存过程中同样存在，其机制主要涉及封装材料与功能层之间的化学反应以及材料自身的结构优化。本研究系统分析了以下三种典型的储存诱导正向老化机制（图3）

• 酸诱导机制：酸性封装树脂与电子传输层（ETL，如ZnO/ZnMgO）中的羟基或缺陷发生反应，钝化了缺陷（特别是氧空位），抑制了空穴泄漏路径，从而提升了电子注入效率和器件效率。

• 水诱导机制：酸性封装树脂与ETL反应过程中生成的水分子扩散至ETL/阴极界面，并与Al电极发生反应生成氢物种。这些氢物种可作为n型掺杂剂，显著提升ETL的电子注入和传输能力，进而改善器件效率。

• 自发反应与熟化：即使未采用酸性封装树脂，ETL与阴极之间仍存在缓慢的氧化反应（如Al电极氧化形成AlOₓ界面层），该过程可优化界面能级匹配。此外，ZnMgO纳米颗粒在储存期间经历“尺寸聚焦熟化”过程，颗粒尺寸分布趋于均匀，缺陷密度降低，从而提升薄膜导电性及载流子迁移率。

图3 量子点发光二极管储存诱导的正向老化机理示意图

器件稳定性提升策略研究

1. 量子点材料设计：能带与结构调控：设计梯度壳层结构、合成大尺寸量子点以增强载流子限域效应，抑制电子泄漏。配体工程：采用结合能更强（如Zn(OA)₂）或电化学稳定性更高（如烷基胺）的新型配体，替代传统不稳定的油酸配体，显著抑制表面陷阱态形成。表面钝化：通过氯离子等钝化表面缺陷，降低非辐射复合中心密度。

2. 电荷传输层与界面工程：使用双层或混合HTL，结合深HOMO能级材料（如PVK, CBP）和高迁移率材料（如TFB, PF8Cz），从而有效平衡空穴注入与传输；或开发本征稳定性更高的新型聚合物HTL材料；在QD/ETL间插入超薄PMMA等层，抑制过量电子注入；通过Mg、Li、Sn等元素掺杂，调节ZnO的能带和电子迁移率；配体设计钝化ZnO表面缺陷，抑制界面激子淬灭。

3. 抑制储存老化：使用无酸封装树脂，避免ETL的酸性腐蚀；对ETL进行预处理（如水蒸气处理、后退火），在封装前即完成性能优化，避免储存期间的不可控变化；采用原子层沉积Al₂O₃等方法钝化ETL，抑制纳米颗粒的熟化过程。

先进的表征技术

文章强调了多种先进表征技术在揭示降解机制中的关键作用：

•   单极性器件：用于区分电子、空穴或激子对降解的贡献。

•   原位电学/光学光谱：同步监测电学特性和发光特性（EL/PL）的演变，有效区分性能损失是源于量子点发光中心本身的光物理退化，还是由电荷注入失衡、界面非辐射复合等外部因素所导致。

•   瞬态电致发光：用于研究电荷注入、传输及复合动力学的变化。

•   阻抗谱：用于探测电荷积累、陷阱形成等过程。

•   剥离-重建实验：用于精确定位降解发生的功能层。

•   深度剖析技术：如ToF-SIMS和XPS，用于分析元素迁移和界面化学变化。

•   形貌与化学结构表征：如STEM、AFM、FTIR和Raman，用于观察微观结构变化和化学键断裂。

总结与展望

文章最后指出，QLED的降解是一个涉及多尺度物理化学过程的复杂问题，其降解机制涵盖材料本征稳定性、界面反应动力学及器件结构演变等多个层面。基于当前研究进展，未来工作应重点聚焦以下方向：开发兼具高效注入/传输能力和本征稳定性的新型电荷传输材料，以及针对蓝光量子点的更稳定表面化学体系；结合先进的原位表征技术和基于物理的衰减模型，更清晰地解析主导降解路径；深入理解并精确控制QLED中独特的有机-无机、无机-无机界面；提升ZnO等纳米晶ETL的批次一致性和环境稳定性。通过将降解机理研究与材料及器件工程设计形成协同反馈循环，有望最终实现兼具高效率、长寿命和高可靠性的QLED，加速其商业化进程。

期刊简介

期刊Advanced Electronic Materials重点发表物理：应用、材料科学：综合、纳米科技相关方向的文章。

该期刊是一个跨学科论坛，在材料科学，物理学，电子和磁性材料工程领域进行同行评审，高质量，高影响力的研究。除了基础研究外，它还包括电子和磁性材料、自旋电子学、电子学、器件物理学和工程学、微纳机电系统和有机电子学的物理和物理性质的研究。期刊最新引文指标为0.9，最新影响因子为5.3（2023）。