过去十余年里，人类已经见证了量子点发光二极管（Quantum Dot Light Emitting Diodes，QLED）的快速发展。
凭借高色彩饱和度、高效率、低成本等优势，QLED 通常被认为是下一代显示器的理想候选者，并在柔性印刷显示及固态照明等领域都得到广泛应用。然而，其上转换电致发光（electroluminescence，EL）机制却一直未能得到合理解释。
此前，科研界对 QLED 的上转换 EL 背后的工作机制有一个大致界定，认为其可能受俄歇辅助能量上转换、库仑引力以及电场作用下的热电子发射等因素影响，但究竟是何机制实际主导仍不得而知。
近日，南方科技大学电子与电气工程系的一个研究团队通过实验发现，热能辅助的热电子发射是影响 QLED 上转换电致发光的关键机制。基于此结论，该团队进一步分析了 QLED 的载流子（带有电荷、并可运动而输运电流的粒子）注入过程，从而为更深入理解 QLED 以及为其后续的器件设计提供启示[1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
该成果发表在Nature Communications期刊上，论文以《量子点发光二极管中的热辅助上转换电致发光》（Thermal assisted up-conversion electroluminescence in quantum dot light emitting diodes）为题，南方科技大学电子与电气工程系副教授陈树明任通讯作者，第一作者为其课题组的博士研究生苏强。
热能在上转换电致发光过程中扮演关键角色
“最开始的时候，我们并没有发现 QLED 中存在 EL 的能量上转换或者说亚带隙启亮现象。”陈树明表示。
据他介绍，其团队一向致力于对器件结构、器件物理以及制备工艺的探索。起初，开发的 QLED 器件主要以聚合物 PVK 作为空穴传输层材料，但由于 PVK 材料的稳定性稍显不足，于是该团队开始采用另一个性能更优异的聚合物材料—— TFB。这也是目前行业内最常见的空穴传输层材料。
图 | 陈树明（来源：陈树明）
但在使用 TFB 传输层材料以后，陈树明团队发现，预期中的效率差别其实并不明显，最大的改变反而是器件电流的增加和启亮电压的减小，尤其是启亮电压已经大大低于发光材料的禁带所对应的电压。
此前，研究者们普遍认为这是界面俄歇辅助的作用，但从器件量子效率的角度来看，该说法显然是不成立的。
于是，陈树明团队决定从亚带隙启亮这一点入手，去深入观察该现象背后的机理和载流子在这个过程中的具体行为。
而在此前的工作中，陈树明团队已经发现，在量子点的变温光致发光过程中，热能会对量子点的发光性能产生影响，进而导致 QLED 在大电流工作下出现效率滚降（Roll-off）现象，即其效率会呈迅速下降态势。
于是，陈树明团队定制了一台可以给器件精确控温的设备，期望借此对 QLED 的 EL 过程也进行一些类似的控温研究，以了解载流子在注入过程中的行为。
“此过程中，我们惊喜地发现，在对器件的 EL 工作过程进行控温时，启亮电压发生了显著的变化。”陈树明表示。
如图所示，三种不同颜色的 QLED 在所处环境的温度发生变化时，其启亮电压都呈现出明显的变化趋势。
图 | QLED 在温度变化下的 EL 特性（来源：Nature Communications）
而这意味着热能在载流子注入的过程中必然起到了至关重要的作用。
工作机理具备普适性，未来可用于提升 QLED 器件性能
不过，想要确定一个物理机制的准确性，还需要判断其是否能够适用其他事物。因此，当陈树明团队发现热能辅助的热电子发射是影响 QLED 上转换电致发光的关键机制后，便开始尝试在普适性上对其进行验证。
在对其他不同结构的 QLED 同样施加热能控制后，该团队最终得出结论，即在不断提高热能的环境下，上转换电致发光现象并不是昙花一现，而是在不同结构的 QLED 中均能实现。
值得注意的是，该团队选择的其他结构 QLED 并不具备上转换电致发光属性，但是在提升热能后，这些 QLED 却都产生了变化。这意味着热能在整个上转化 EL 过程中的所发挥的作用是毋庸置疑的。
总体来说，该成果解决了一个困扰科学家们多年的争议问题，并最终揭示了隐藏在 QLED 上转换电致发光背后的具体机制，从而为科研者进一步厘清器件工作原理奠定了基础。
此外，虽然这项工作更侧重于机理研究，但其对于应用的开发同样颇具指导意义。
据陈树明介绍，目前至少有两个应用方向可以尝试：一个是利用亚带隙启亮，开发能量转换效率接近或是大于 100% 的 QLED 器件；另一个是通过热能的作用提升室外显示或者照明器件的性能和亮度。其未来潜力不容小觑。
与此同时，陈树明表示，其团队会在后续的应用开发上做更深入的探究，并希望可以做出更多具有科学意义的成果。
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参考：
1.Qiang Su & Shuming Chen，Nature Communications13，Article number: 369（2022）