膠體量子點（Quantum dots，QDs）具有發光波長易調諧、窄發射、高效率等優點，高光致發光量子產率（Photoluminescence quantum yield，PLQY）的綠光和紅光QDs已經制成光轉換膜應用于液晶顯示（Liquid crystal display，LCD），基于QDs的QD-LCD使得LCD行業重獲新生。與QD-LCD相比，基于可溶液處理、低成本制造工藝的量子點電致發光二極管（Quantum dots light emitting diodes，QLED）的主動發光型顯示，有利于實現下一代廣色域、高對比度、大面積和柔性顯示，因而更具有吸引力。然而，基于QLED的顯示應用在器件性能、Cd基QDs材料毒性和QDs像素圖案化等方面還存在挑戰，使得QLED的發展和應用受到了較大限制，商業上迫切需要新的材料和器件優化策略來解決這些問題。

近日，吉林大學張宇教授、陸敏副教授、黃啟章碩士等在《發光學報》（EI、核心期刊）發表了題為“面向顯示應用的膠體量子點電致發光二極管：進展與挑戰”的綜述文章。該綜述首先介紹了面向顯示應用的QDs和QLED的發展歷程，然后重點說明了Cd基和無Cd的QLED研究進展及其在顯示應用方面所面臨的藍光QLED器件性能不佳、圖案化技術不成熟等挑戰，最后總結并展望顯示領域的發展方向。

圖1：基于QDs的顯示產品

膠體量子點是一種具有優異光電特性的納米材料，可以用于顯示領域。它們可以制成光轉換膜，提高液晶顯示的色域，這已經在商業上得到了廣泛的應用。它們也可以制成主動發光型QLED，從而具有更高的對比度、更快的響應時間、更寬的色域和更好的穩定性，因此QLED顯示是顯示行業未來的發展方向之一。但目前QLED顯示還需要解決藍光器件性能低、材料毒性、圖案化技術等方面的問題。在這樣的研究背景下，國內外研究者們在材料優化、器件物理和結構設計方面付出了巨大的努力。

▍材料與器件

（1） 顯示應用的膠體量子點

QDs是由少量原子組成的準零維粒子。其尺寸通常在1～10 nm，其中的載流子運動受限于三個維度，并且其能帶結構是離散的能級，即產生量子限域效應。此外，QDs還表現出許多與其體材料截然不同的物理化學性質，如表面效應、介電限域效應、量子隧道效應和庫侖阻塞效應。

圖2：不同QDs的發射光譜范圍

QDs種類繁多，包括II-VI族（CdS，CdSe和CdTe等）、III-V族（InP、InAs等）、IV族（C、Si、Ge等）、IV-VI族（PbS和PbSe等）、I-III-VI?族（CuInS?等)和I?-II-IV-VI?族（Cu?ZnSnS?等）QDs、鈣鈦礦量子點（Perovskite quantum dots，PQDs）等，光譜覆蓋范圍廣（紫外到紅外），被廣泛應用于光電探測器、太陽能電池、發光二極管、場效應晶體管、激光器、生物成像、光催化等領域。QDs合成方法多樣，可分為自頂向下和自底向上的方法。自頂向下的方法有物理粉碎法、機械銑削法、光刻法、激光燒蝕法等，自底向上的方法包括外延法和濕法化學合成等。其中自底向上的方法在量子點合成中較為常見。

ZnSe QDs、InP QDs、CQDs、CuInSe???S? QDs的組成成分無毒性，因此有利于發展綠色環保型顯示技術。然而CQDs、CuInSe???S? QDs的發光峰較寬，色域和色純度較小，不適合顯示應用。與傳統Cd基量子點相比，PQDs具有高PLQY、可通過調整鹵化物成分調諧發射峰，是QDs顯示的下一個有利候選者。近年來，基于PQDs的LED 器件效率迅速提升，然而由于離子遷移等問題，實現穩定的PQDs材料和器件仍是一個挑戰。

（2）膠體量子點電致發光二極管

Alivisatos研究組于1994年首次報道了CdSe QLED。此后，QLED技術吸取OLED技術的相關經驗并發展迅速，性能穩步提升。其中QDs材料和電荷傳輸層（Charge transport layer，CTL）的進步對QLED技術的發展起著關鍵作用。目前，紅、綠、藍三種顏色QLED器件的EQE均突破20%，且紅光和綠光器件的最大亮度突破350 000 cd/m2，T??@100 cd/m2壽命突破數百萬小時，而藍色器件在這兩方面較為落后，因此需要新的策略來研制高性能的藍色QLED。

▍進展與挑戰

（1） Cd基量子點發光二極管

Cd基QDs穩定性好、量子產率高、合成工藝成熟，是實現QLED顯示的最有力競爭者。目前，高質量QDs的合成和器件結構的設計都取得了顯著進步，特別是紅光和綠光器件的EQE、亮度、壽命都已接近最先進的OLED器件的性能，這為實現QLED顯示提供了保障。然而，在紅綠藍三基色中，藍色QLEDs除了個別報道外，大部分器件的EQE、亮度和穩定性相對偏低，嚴重阻礙了QLEDs的商業化。藍光QLED性能不佳可歸咎于藍色QDs的“閃爍”效應、較大的帶隙和較深的價帶頂（Valence band maximum，VBM）等原因，可通過發展QDs合成技術，實現具有高PLQY和高穩定性的藍色QDs或通過界面工程優化電荷注入效率等手段，提升器件性能。

（1） 無Cd量子點發光二極管

Cd基核殼結構QDs在色純度、量子效率和穩定性方面優于無毒的InP、CuInSe???S? QDs和其他毒性較小的QDs。然而，對Pb、Cd和Hg等重金屬的監管，阻礙了其進一步應用。因此，人們在研發無重金屬 （Heavy metal free，HMF）QDs以解決Cd基QDs的毒性問題。InP基QLED是目前用于顯示應用最有前景的無Cd QLED 替代品。自2011年首次報道InP基QLED以來，人們通過不斷的努力合成高質量的InP QDs和優化QLED器件結構，顯著改善了InP基QLED的器件性能。InP基紅色QLED的EL性能已經可以與Cd基QLED相媲美，但藍色InP QLED的器件性能仍與Cd基QLED相差甚遠。將Te合金化到ZnSe QDs獲得的ZnSeTe QLED是實現高效無Cd藍光QLED的一個可行方法。但是，與Cd基QLED相比，無Cd基QLED同樣面臨著藍光器件性能不足的問題，還存在成本較高、合成方法有待優化、穩定性不足等問題。

（3）圖案化技術

工業上大面積全彩顯示器的生產與實驗室單個器件的制備有很大不同。將實驗室原型器件帶入商業化顯示器之前，需要解決許多技術問題。其中，實現全彩的紅/綠/藍（R/G/B）像素圖案化是最關鍵的技術問題。目前，為了獲得精確的圖案化發光層，人們采用噴墨打印、轉移打印等圖案化技術。膠體QDs優異的溶液處理能力有利于通過噴墨打印直接制作RGB像素圖案。然而，通過噴墨打印構筑高分辨、高性能QLED器件陣列需要考慮兩個關鍵問題：一是高分辨率噴墨打印需要控制微米尺度的QDs墨水的流變學特性，二是需要實現均勻可控的QDs薄膜厚度來獲得發光均勻、高性能的QLED陣列。轉移印刷因其不需要額外的有機添加劑，是一種通用性好、精度高的QDs圖案化方法，在制造高像素密度顯示器方面具有巨大潛力。但目前轉移印刷的大規模制造還面臨許多挑戰，例如轉印效率低、高分辨轉印的子像素會分離以及彈性印章結構變形等，這些問題仍需要開發新的技術來解決。此外，人們還通過光刻、3D打印、選擇性光亮化和暗化、自組裝等圖案化方法，為QLED陣列的實現提供了新的思路。

▍結論與展望

在過去的幾年里，QLEDs技術在QDs和電子傳輸層材料、器件物理、新型結構、制造工藝和圖案化等方面都經歷了巨大的發展。但QLED的顯示應用還面臨著藍色 QLED性能不足、Cd基QDs的材料毒性和QDs像素圖案化等諸多挑戰。針對這些問題，首先應進一步開發高效藍光QDs的合成方法和具有較深HOMO/VBM能級和高空穴遷移率的新型HTL材料。其次，應進一步開發高效、窄半寬的無Cd QDs的合成方法，以避免材料毒性阻礙QLED技術的進一步應用。最后，應研發一種低成本、高效率的圖案化全彩QLED制造技術，以滿足QLED顯示面板的量產需求。盡管存在諸多挑戰和競爭，但QLED在顯示領域的應用仍有廣闊的前景，甚至可以成為OLED和Micro-LED的有力競爭對手，我們堅信QLED顯示技術在不久的將來會成功商業化。

▍論文信息

黃啟章,孫思琦,劉銘澤等.面向顯示應用的膠體量子點電致發光二極管：進展與挑戰[J].發光學報,2023,44(05):739-758. DOI：10.37188/CJL.20220400.

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20220400/

▍作者簡介

張宇，吉林大學教授、博士生導師，國家優秀青年基金獲得者（2017年）。2001年考入吉林大學，先后獲得學士、碩士、博士學位，并就職于吉林大學電子科學與工程學院、集成光電子學國家重點實驗室，2015年評聘為教授、博士生導師。2008—2011年，在美國伍斯特理工學院、賓夕法尼亞州立大學學習和博士后研究工作，2012年獲得“香江學者”項目資助，2013年入選吉林省“春苗人才計劃”。主持多項科技部國家重點研究計劃、國家自然科學基金（重點、優青、面上、青年）、吉林省重點科技攻關計劃等項目。以第一或通訊作者身份，在 Nat. Commun.，Phys. Rev. Lett.，J. Am. Chem. Soc.等國際著名學術期刊發表學術論文200余篇。SCI他引9 000余次，ESI高被引論文26篇，H因子50。2020年獲得吉林省科學技術獎自然科學一等獎（排名第一），2020 年獲吉林省十大杰出青年稱號，2022年科睿唯安全球高被引學者。

陸敏，副教授，博士生導師。分別于2015年和2020年在吉林大學獲得學士和博士學位，期間獲得寶鋼優秀學生獎、力旺精英學生獎、十佳研究生等榮譽稱號。2021年就職于吉林大學電子科學與工程學院，主要從事量子點發光材料和面向顯示應用的LED器件研究。在 Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Nano Lett.，ACS Energy Lett.等國際知名學術期刊發表SCI論文50余篇，ESI高被引論文7篇，SCI他引2 800余次。主持國家自然科學基金青年基金項目、吉林省重點研發計劃項目、吉林省自然科學基金面上項目共3項。

黃啟章，碩士，分別于2020年和2023年在吉林大學獲得學士和碩士學位，主要從事量子點發光器件的研究。

閱讀原文