廖良生/王亚坤等 Nature Photonics | 偶极辅助表面序构化突破深蓝光瓶颈

发布时间：2026-04-28来源：中国光学

Banner

本文由论文作者团队投稿

导读

随着新一代显示技术向高色纯度、低功耗与绿色环保方向发展，量子点发光二极管（QLED）被认为是最具潜力的下一代显示技术之一。其中，深蓝光器件作为实现全彩显示的关键，其性能直接决定显示系统的色域范围与长期稳定性。在此背景下，为顺应全球绿色可持续发展趋势，研发不含重金属（铅、镉）的环保型量子点材料，正逐渐成为该领域的重要发展方向与竞争焦点。

然而，深蓝光QLED性能长期面临“高效率—高亮度—高稳定性”难以兼得的国际性难题。这一问题源于多重物理机制耦合：一方面，量子点与空穴传输层之间能级失配导致空穴注入受阻，载流子严重失衡；另一方面，电子泄漏与量子点薄膜无序结构引发的缺陷态，进一步加剧非辐射复合损耗，显著制约器件性能提升。

苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤教授团队与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏文明研究员团队合作，提出一种基于功能分子调控的新策略。通过在锌碲硒（ZnTeSe）量子点中引入特定功能分子，实现了量子点薄膜的长程有序排列，显著提升了薄膜的发光效率，并有效优化了能级结构，大幅降低了空穴注入势垒。这一方法从材料底层同步解决了载流子输运与表面缺陷问题，为突破环保深蓝光器件的性能瓶颈提供了全新思路。

相关成果以“Dipole-assisted functionalization enables long-range ordering of ZnTeSe quantum dots for efficient and stable deep-blue electroluminescence”为题发表于Nature Photonics。苏州大学功能纳米与软物质研究院廖良生教授、王亚坤教授以及中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所苏文明研究员为论文通讯作者。苏州大学功能纳米与软物质研究院沈万姗博士、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所谢黎明博士、苏州大学功能纳米与软物质研究院硕士研究生费文龙和顾鑫为论文共同第一作者。该工作得到了苏州大学功能纳米与软物质研究院、仿生界面材料科学全国重点实验室、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州星烁纳米科技有限公司等平台的大力支持。

一、深蓝光QLED的关键瓶颈：空穴注入受阻与电子泄漏

研究团队首先从器件物理机制出发，分析了深蓝光QLED性能受限的根本原因。结果显示，空穴注入势垒过高是导致效率受限的主要瓶颈。这种载流子注入不平衡会导致电子泄漏，并在电致发光光谱中出现额外发光峰，降低深蓝光发射的纯净度和器件效率。

为此，团队提出了“偶极辅助表面序构化”策略，引入4-氨基硫酚（4-ATP）分子，通过内建偶极实现对量子点能级结构的调控，降低空穴注入势垒从而改善器件中的载流子平衡。同时，4-ATP分子的功能基团还能有效钝化量子点表面缺陷，减少非辐射复合损耗，使电致发光过程更加高效稳定。

4.24（4）.png

图1：深蓝光QLED中空穴注入势垒与电子泄漏问题及偶极辅助调控策略示意图

图源：Nature Photonics

二、偶极调控降低空穴注入势垒

在明确问题来源后，研究团队进一步验证了4-ATP分子对量子点能级结构的调控作用。实验结果表明，分子偶极的引入使量子点的费米能级发生上移，价带与导带同步调整，从而显著降低了量子点与空穴传输层之间的能级差。空穴注入速度明显提高，载流子注入趋于平衡。同时，电致发光光谱中原本存在的肩峰被有效抑制，发光更加集中于目标深蓝光波段。这说明偶极调控不仅优化了能级结构，也在器件层面改善了电荷复合路径。

图2：4-ATP调控量子点能级结构并改善载流子注入与复合过程

图源：Nature Photonics

三、有序结构构筑提升材料性能

在能级匹配得到优化的基础上，该策略能有效诱导量子点在薄膜中形成长程有序排列。引入4-ATP后，量子点在薄膜中的排列方式由原本的无序堆积转变为更为紧密且具有有序性的结构，这一变化不仅增强了量子点之间的电子耦合，也有助于提升载流子的传输能力。此外，有序排列能够减少局域缺陷引起的能量损失，从而进一步改善薄膜在高亮度工作下的光物理表现。实验表征表明，经过调控的量子点薄膜具有更高的激子束缚能、更长的发光寿命以及更优的热稳定性，即使在高温环境下仍保持稳定的发光性能。

图3：量子点光物理性质与热稳定性以及有序结构表征

图源：Nature Photonics

4. 器件性能实现“三高”突破

得益于能级调控和结构有序化带来的双重提升，深蓝光QLED在环保体系中首次实现效率、亮度和寿命的同步突破。器件在452 nm处实现纯净深蓝光发射，外量子效率达到23.6%，刷新了无重金属深蓝光量子点器件的效率纪录。最高亮度达到1.2万cd/m²，并在100 cd/m²的初始亮度下，器件半亮度工作寿命（T₅₀）超过50,000小时（超过6年），展现出优异的工作稳定性。这些结果标志着无重金属深蓝光量子点发光器件在效率与稳定性方面实现了协同提升。

图4：深蓝光QLED器件发光性能

图源：Nature Photonics

图5：器件寿命与稳定性测试结果

图源：Nature Photonics

总结与展望

本研究围绕无铅无镉深蓝光QLED中载流子失衡以及薄膜无序等关键问题，提出了“偶极辅助表面序构化”策略。通过引入4-ATP分子，实现了能级结构优化与有序组装的协同调控，从材料到器件层面系统性提升了性能表现。该工作的重要意义在于证明，环保型量子点体系同样可以实现高效率、高亮度与长寿命的统一，为突破深蓝光器件长期存在的性能瓶颈提供了新思路。未来，该策略有望拓展至更多量子点材料体系，并在高端显示、AR/VR等领域展现出更广泛的应用潜力。

论文信息

Shen, WS., Xie, LM., Fei, WL. et al. Dipole-assisted functionalization enables long-range ordering of ZnTeSe quantum dots for efficient and stable deep-blue electroluminescence. Nat. Photon. (2026).

https://doi.org/10.1038/s41566-026-01878-3

Banner

编辑：赵唯

审核：赵阳

转载说明：本文系转载内容，版权归原作者及原出处所有。转载目的在于传递更多行业信息，文章观点仅代表原作者本人，与本平台立场无关。若涉及作品版权问题，请原作者或相关权利人及时与本平台联系，我们将在第一时间核实后移除相关内容。