针对量子点发光二极管产业化的瓶颈问题，揭示了无机量子点/有机高分子界面的反常电荷转移机制，通过调控高分子空穴传输材料的分子结构，创造了蓝、绿光量子点发光二极管的效率/寿命新纪录。

This work addressed the bottleneck problems in the commercialization of quantum dot light-emitting diodes by revealing the anomalous charge-transfer mechanism at the interface of inorganic quantum dots and organic hole-transport polymers. The results motivated us to regulate the molecular structure of the polymer hole-transport materials, leading to blue and green QLEDs with record efficiency and operational lifetime.

项目负责人：金一政，浙江大学长聘教授，博士生导师

近年来主要从事溶液法电致发光器件和材料领域研究，在溶液法氧化物半导体界面层材料、量子点发光二极管（QLED）原型器件等方向取得了系列进展。在Nature、Nat. Photo.、Nat. Comm.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、JACS、Chem. Soc. Rev.等期刊发表通讯作者论文60余篇，所有论文总引用10000余次，入选Elsevier发布的“中国高被引学者”榜单；获授权发明专利10项、美国专利1项；研究成果入选了中国科学十大进展（2014）。获自然科学基金委优秀青年基金（2015）、“万人计划”青年拔尖人才（2019）等人才项目的支持；所获得奖励包括中国化学会青年化学奖（2015）、求是杰出青年学者奖（2016）等。

王林军，浙江大学长聘副教授，博士生导师

主要研究方向是复杂体系的非绝热动力学，在发展混合量子-经典动力学的理论体系，提升方法的精度、效率和普适性，并开发通用模拟软件，用于研究各种复杂体系中关键动力学的微观机制，揭示本征性质并进行材料设计等方面取得了系统性进展。至今共发表SCI论文87篇，总引用4600余次。曾获国家自然科学基金委优秀青年基金资助（2019）和中国化学会唐敖庆理论化学青年奖（2021）。

研究团队：本项目由浙江大学化学系金一政课题组、王林军课题组与华南理工大学黄飞/应磊团队合作完成。金一政课题组主要进行了QLED原型器件的制备与材料表征，王林军课题组主要进行了界面电荷转移动力学的理论模拟与机制研究，黄飞/应磊团队主要进行了新型聚合物的合成。研究团队主要成员为浙江大学邓云洲博士、博士生陆遥、博士生朱希童和华南理工大学彭沣博士。

团队照片

图1. 电致发光与显示技术

图2. 胶体量子点与量子点发光二极管

图3. 蓝、绿光QLED的界面电荷转移机制

图4. 高性能绿光、蓝光量子点发光二极管

在信息时代的今天，我们的生活总是充斥着形形色色的电子设备，如手机、电脑、电视等。电子设备的日新月异，离不开显示技术的快速发展。开发低成本、低能耗、广色域的显示技术，能够推动电子设备的性能优化，并为使用者带来更好的视觉体验。

发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为光能的电致发光器件，在照明与显示领域均有广泛的应用。目前，传统的无机LED与有机LED分别采用外延生长与真空蒸镀的方式沉积发光材料。发展溶液工艺的LED，有望实现低成本、大面积的高性能电致发光设备。
 

量子点发光二极管（QLED）是一种以胶体量子点材料作为发光中心、可通过溶液工艺制备的电致发光器件。胶体量子点是一种尺寸约10 nm的纳米晶发光材料，具有高色纯度、高发光效率等优点，并且可以通过调节组分、形貌与尺寸改变其发光颜色。此外，胶体量子点具有可溶液加工性的优点，可以通过溶液工艺合成并大面积、低成本地加工成发光薄膜。量子点的以上优势使QLED成为下一代低成本、低能耗、广色域大屏显示技术的有力竞争者。

量子点发光二极管由正负电极、电子传输层、空穴传输层和量子点发光层组成，其基本工作过程为：首先，空穴和电子分别从正负电极注入并在传输层中输运；随后，空穴和电子在量子点层形成激子态；激子态辐射复合，发出光子；最后，光子从器件内部出射至空气中。QLED的发光效率与工作寿命是评价QLED性能的主要指标。为了实现QLED的显示应用，需要使用红、绿、蓝三色QLED组装成像素阵列，因此三色QLED原型器件的性能均需达到产业化的要求。目前，红光QLED原型器件的效率、工作寿命等性能指标已满足产业化要求，但蓝、绿光QLED的性能仍低于应用需求。如何提升蓝、绿光QLED的性能，是解决QLED产业化的关键问题。
 

​针对该瓶颈问题，研究者以纳晶科技公司所开发的高性能CdSe基量子点为模型系统，理论与实验相结合开展了机制研究，发现：有机空穴传输材料的能量无序会显著增强量子点/空穴传输层界面的电子泄漏，是造成蓝、绿光QLED效率损失的关键通道。在QLED原型器件中，量子点发光层与空穴传输层接触形成界面，从能级结构的角度考虑，量子点到空穴传输层的电子转移取决于量子点的导带底和空穴传输材料的最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能差，而这两者之间至少有0.5 eV的高势垒，传统的两态电荷转移理论认为电子转移过程很难发生。我们考虑构成该界面材料的独特性质，得到了新的理解。对于无机晶体量子点的电子结构，其能级分立且电-声子耦合较弱，而空穴传输层所使用的有机无定形聚合物薄膜具有显著的结构无序度与较强的电-声子耦合作用，导致了较多的带尾态分布与较强的结构重整，从能量的角度促进电荷转移。此外，单颗量子点的尺寸（约10 nm）远大于有机聚合物单元（约1~2 nm），形成了单给体-多受体的特殊界面，从熵的角度也会增加两者间发生电子转移的概率。研究者结合QLED的光谱表征与界面电子转移的非绝热动力学模拟，确证上述效应显著增强了从量子点到空穴传输层的界面电子转移，导致了器件中的电子泄漏。在理想的QLED工作过程中，电子与空穴应全部在量子点发光层中形成激子，而电子泄漏使得一部分电子转移至空穴传输层中，不再参与量子点的发光过程，导致蓝、绿光QLED器件的效率显著下降。

在明晰了上述关键反常机制的基础上，研究团队设计并合成了一系列基于刚性共聚单元的咔唑-芴交替共聚聚合物（PF8Cz，已在东莞伏安光电科技有限公司实现生产和销售），并通过合成方法的调控实现了高分子量。研究团队通过紫外光电子能谱与开尔文探针等手段对材料进行表征，证明了该材料与传统聚合物空穴传输材料TFB相比，具有更浅的LUMO能级与更小的能量无序度，可以有效地抑制界面的电子转移，表现出优异的电子阻挡能力。最终，基于此新型空穴传输材料，研究团队构筑了高性能蓝、绿光QLED原型器件，最高外量子效率分别达21.9%与28.7%，且高效率窗口覆盖了从显示到通用照明的亮度范围。蓝、绿光QLED分别实现了长达4400小时与58万小时的工作寿命（100尼特初始亮度恒流工作条件下，亮度衰减至95%），均是目前报道过的QLED最高值。​

该研究为QLED器件的材料设计提供了关键的新策略，实现了性能满足显示应用需求的绿光QLED原型器件，有望推动量子点印刷显示技术的实用化进程。