世界首台电激发瞬态吸收光谱仪。代蕊/摄

■本报记者 王敏

白炽灯点亮了20世纪，发光二极管（LED）点亮了21世纪。LED是业界公认的新一代显示与照明技术的核心器件。

中国科学技术大学（以下简称中国科大）教授樊逢佳与河南大学教授申怀彬合作，利用自主研发的“LED拍片机”，破解了绿色磷化铟基量子点LED效率和寿命难题，并刷新多项世界纪录。这标志着我国在环保型量子点显示和照明技术领域取得重要突破。

11月21日，相关研究成果发表于《自然》。审稿人评价称：“该研究选题重要且具有时效性，作者清晰阐明了量子点LED开发中的关键技术问题，尤其是电荷注入势垒、电荷分布及相关分析方法，并利用电激发瞬态吸收光技术深入解析磷化铟基量子点LED电荷浓度及结构优化问题，取得了定量且有价值的研究成果。”

研制首台电激发瞬态吸收光谱仪

LED显示屏无处不在，LED照明产业更是我国半导体行业的重要支柱。随着技术进步，一大批新兴显示和照明LED，如量子点LED、下一代有机LED、微型LED崭露头角。

在国外做博士后研究时，樊逢佳便开始接触LED。“我注意到国际上没有课题组专门研发新仪器，从实验角度验证新兴LED的内部机制问题，只有少量研究人员在做相关的理论计算。”

事实上，正是由于缺乏原位、直观的表征手段，LED内部好像一个“黑匣子”，研究人员“看得不够清楚”，对其内部运行机制也理解得不充分。

2017年9月，樊逢佳回国加入中国科大，开始组建团队专注研究量子点LED关键科学问题。经过两年技术攻关，他带领团队成功研发出世界首台电激发瞬态吸收光谱仪，并获得国家专利授权。

樊逢佳解释说，人骨折就医，得先拍片子才能诊断。这台仪器相当于为LED“拍片子”的CT机，不仅能实时捕捉LED内部载流子的活动，还能清晰描绘其电场分布。借助这一“超级视野”，研究人员终于能对LED内部进行全面“体检”。

该仪器的科学原理就是把传统光激发瞬态吸收的“光激发、光探测”模式升级为“电激发、光探测”，从而实现对电子和电场的原位监测。

利用该仪器，樊逢佳等人取得诸多研究成果，如揭示了影响量子点LED电流和电压效率的限制因素、探明了蓝光量子点LED的性能衰减机制、发现了“电激发”过程中新奇的物理现象。

“这项技术的突破，不仅为理解和优化LED性能提供了强大支持，还有助于发现物质新现象、研究物质新规律。”樊逢佳说。近年来，他们还发展了噪声抑制算法，将仪器灵敏度提高到十万分之一。

攻坚显示工业“皇冠上的明珠”

量子点是一种全新概念的半导体纳米晶体，表现出尺寸依赖的光学效应，即不同尺寸可以发出不同颜色的光，而且色纯度非常高。这一独特的光学性能使量子点成为最好的发光材料之一，被应用在量子点LED等显示领域。

樊逢佳介绍：“量子点LED分为有镉和无镉。无镉无铅量子点LED由于其环境友好优势，备受研究人员青睐，以磷化铟体系为代表的量子点LED则被誉为显示工业‘皇冠上的明珠’。”

2019年、2020年，韩国三星集团在《自然》连发两篇无镉量子点LED论文，展示了他们在红色和蓝色磷化铟基量子点LED器件中取得的进展，代表了当时国际上关于无镉量子点LED研究的最高水平。

然而，随后几年里，国际上关于绿色磷化铟基量子点LED的研究迟迟未有突破。绿色磷化铟基量子点LED的效率和寿命仍落后于红色和蓝色的磷化铟基量子点LED，成为制约环境友好型全彩量子点LED产业化的关键。

在无镉无铅量子点LED中，为什么红色和蓝色器件表现优异，而绿色却始终难以突破？这成为显示领域的未解之谜。

申怀彬长期从事量子点LED的设计工作，是多项量子点LED性能世界纪录的保持者。自2018年与樊逢佳结识后，两人便成为亲密的合作伙伴，在科研上取得了一系列成果。

这次，他们再度携手，向量子点显示工业“皇冠上的明珠”——绿色环境友好型磷化铟基量子点LED发起攻坚。

新方案破解“水池难题”

研究团队通过“拍片机”的“诊断”，发现绿色磷化铟基量子点LED性能较低的主要原因在于两点——电子注入不足和电子泄漏严重。想象一下，本该流向“蓄水池”的电子，一边是“进水管”堵塞，一边是池底有“泄漏”，这就导致电子“蓄水池”无法装满。

为了解决难题，研究团队提出“低、宽势垒”的创新设计方案，对电子“蓄水池”进行全面升级。通过拓宽“进水管”，让更多电子顺畅流入量子点发光层，同时在池底加装防漏板，避免电子从中流失。

“优化后的绿色磷化铟基量子点LED不仅效率提高到26.68%，亮度更是突破了27万坎德拉每平方米，器件发光寿命大幅延长到1241小时，刷新了多项世界纪录。”申怀彬说。

“这表明我国环保型量子点LED技术迈入了一个新阶段。”樊逢佳表示，下一步，团队将努力推动环保型量子点LED从实验室走向货架，将技术真正转化为产品，为市场带来高性能、环保的显示技术，同时推动绿色显示产业发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08197-z