近日，由中国科学院理化技术研究所、吉林大学、中国科学技术大学、北京理工大学等单位组成的联合研究团队，在《Nature Communications》期刊上发表了一项重磅研究成果。
研究人员针对绿色InP基量子点晶面选择性生长导致的电子限制能力不足难题，创新地提出了一种配体吸附介导的表面能均一化策略。研究人员基于该策略成功制备出具有强电子限制特性的InP/ZnSe/ZnS量子点，基于该材料的量子点发光二极管（QLED）峰值外量子效率达 23.50%，器件寿命较传统方案提升107.5倍。与此同时，该团队还提出了一种非对称润湿性介导的组装策略，并基于此实现了8460 PPI的超高分辨率量子点阵列制备。
无镉化成显示产业必然趋势，但InP基量子点尚有多重瓶颈
QLED凭借高色纯度、低功耗、宽色域、响应速度快等突出优势，成为下一代显示与照明领域的核心技术方向。长期以来，全球高端QLED技术研发与产业化应用均以镉基量子点为核心，这类材料虽能实现优异的光电性能，但其含有的镉元素具有强生物毒性和环境危害性，不仅会对生产制造、产品使用及回收环节造成生态污染，还受到欧盟RoHS等环保法规的严格限制，无镉化已成为量子点显示产业可持续发展的必然趋势。
在众多无镉量子点材料中，InP基量子点因不含重金属、光电性能可精准调控、光谱覆盖范围广，被公认为镉基量子点的最佳替代材料。经过多年技术攻关，红、绿色InP基QLED的外量子效率已分别突破26.6%和26.7%，展现出良好的发展潜力，但距离规模化商业化应用仍存在诸多关键技术瓶颈，其中晶面选择性生长引发的电子限制能力不足是制约其性能提升的核心难题。
图1. 用于合成强电子限制InP/ZnSe/ZnS量子点的配体辅助表面能均一化策略
在InP基量子点的合成过程中，ZnSe因与InP核具有匹配的晶体结构和晶格参数，成为核壳结构生长的首选壳层材料。但铟磷核的各不同晶面存在显著的表面能差异，且晶面因富铟状态存在大量表面悬空键，反应活性远高于其他晶面，导致ZnSe极易在该晶面发生选择性生长，形成非球形的四足状核壳结构。这种结构直接导致电子无法被有效限制在InP核内，出现严重的电子离域现象：一方面，离域的电子难以与空穴发生高效的辐射复合，反而易被表面陷阱捕获引发非辐射复合，不仅大幅降低量子产率，还会造成光谱展宽，丧失量子点高色纯度的核心优势；另一方面，电子离域会引发严重的电荷泄漏问题，在QLED器件工作过程中，量子点层的电子会泄漏至空穴传输层，与空穴发生非辐射复合产生寄生发射峰，同时氧化腐蚀空穴传输层材料，导致器件外量子效率低、工作稳定性差、寿命短。
现有研究虽尝试通过调整反应温度、添加表面稳定剂等方式缓解ZnSe的晶面选择性生长，但仅能实现局部调控，无法从根本上消除不同晶面的表面能差异，且对ZnSe各向同性生长的内在机制及器件性能的影响缺乏系统深入的研究，尚未形成可产业化的解决方案。同时，超高清、微型化是显示技术的重要发展方向，对量子点阵列的分辨率要求持续提升，而传统旋涂工艺制备量子点膜层时，易因溶剂蒸发速率差异产生咖啡环效应，导致量子点排列不均，当像素尺寸缩小时器件性能会急剧衰减，如何在实现超高分辨率的同时保持器件高性能，成为无镉量子点显示技术面临的另一重要挑战。
双核心策略解决材料与集成难题
针对绿色InP基量子点显示技术的多重瓶颈，研究团队从量子点核心材料制备和超高分辨率器件集成两个关键维度，创新提出配体吸附介导的表面能均一化策略和非对称润湿性介导的组装策略，很好地解决了当前面临的技术难题。
（一）表面能均一化策略：精准调控晶面生长，制备强电子限制InP量子点
研究团队首先对InP核不同晶面的表面能进行系统计算，明确了晶面选择性生长的内在机制：（111）晶面表面能最高，且因存在大量的具有极强反应活性的悬空键，是ZnSe选择性生长的主要位点。基于这一发现，研究团队提出了一种调控思路：通过配体吸附钝化上述高活性晶面以降低其表面能，进而实现铟磷核各晶面表面能的均一化，以及抑制ZnSe的晶面选择性生长。
在具体的量子点制备工艺中，研究团队以自主制备的InP核为基础，采用溶液相热注射法，在ZnSe壳层生长阶段精准引入正辛胺/二苯基膦硒复合配体，优化反应温度与时间，实现壳层的均匀生长。制备过程中，先通过氢氟酸去除铟磷核表面的氧化物，保证晶面的洁净度与反应活性；再将反应体系升温至220℃，滴加锌源与硒源，生长第一层ZnSe壳层；随后升温至240℃，继续生长第二层ZnSe壳层，保证壳层厚度与均匀性；最后将反应体系升温至300℃，生长ZnS外层壳层，进一步提升量子点的稳定性与电子限制能力，最终制备出核壳结构高度均匀的球形InP/ZnSe/ZnS量子点。
为验证制备效果，研究团队利用多种表征手段对量子点进行系统分析。结果显示，采用复合配体制备的量子点呈完美球形，ZnSe壳层在铟磷核各晶面均匀生长，（111）晶面衍射峰强度显著降低，对照组采用传统油酸/三辛基膦硒配体的量子点则呈现典型的四足状结构。另外，红外光谱与X射线光电子能谱也证明，正辛胺与二苯基膦硒成功配位在量子点表面，形成了稳定的配体层，为晶面生长调控提供了持续、稳定的环境。
图2. 强电子限制与弱电子限制InP/ZnSe/ZnS量子点的光学性能特性
（二）非对称润湿性组装策略：抑制咖啡环效应，实现超高分辨率量子点阵列
针对超高分辨率量子点阵列组装的难题，该研究团队放弃了传统的旋涂工艺，创新地提出了一种非对称润湿性介导的自组装策略。该策略利用润湿性差异与空间限域效应，在实现量子点的精准、均匀排列的同时，还有效抑制了咖啡环效应，突破了传统工艺的分辨率限制。
该策略的核心是制备具有亲水顶部、疏水侧壁的微柱模板，利用模板的润湿性差异与空间限域，将量子点溶液限定在微柱亲水顶部，形成离散的毛细桥，而非连续的液膜。具体组装过程中，研究团队首先对ITO玻璃基板进行超声清洗与臭氧等离子体处理，提升基板表面的平整度与导电性；随后通过旋涂、退火工艺制备空穴注入层与空穴传输层；再利用光刻工艺在传输层表面制备与微柱模板匹配的像素坑阵列，为量子点阵列的精准定位提供基础。
在量子点组装阶段，研究团队将一定浓度的量子点甲苯溶液滴加在制备好的基板上，将微柱模板与基板通过高精度对准系统精准贴合，利用自制压力装置施加均匀、稳定的压力，使量子点溶液在微柱亲水顶部形成均匀的毛细桥，疏水侧壁则有效阻止溶液的横向扩散。在溶剂自然蒸发过程中，利用亲水/疏水的润湿性差异实现定向去润湿，量子点沿毛细桥均匀沉积在像素坑内，形成尺寸均匀、排列整齐的量子点阵列。整个过程无需真空设备，操作简单、成本可控，且能有效避免传统旋涂工艺中因溶剂蒸发速率差异导致的量子点聚集与咖啡环效应。通过调控量子点溶液浓度、微柱模板尺寸、压力大小等工艺参数，研究人员实现了像素尺寸从20μm到1.5μm的精准调控，且量子点阵列的均匀性与一致性优异。
（三）器件结构与工艺优化：匹配电荷传输，提升器件整体性能与稳定性
在QLED器件结构设计上，研究团队采用经典的正置器件结构ITO/PEDOT:PSS/PF8Cz/QDs/ ZnMgO/Al，并针对强电子限制量子点的电荷传输特性，对各功能层的制备工艺进行系统优化，实现载流子的高效传输与复合，提升器件的整体性能与稳定性。
其中，ITO透明导电电极经超声清洗与臭氧等离子体处理后，表面粗糙度降低、功函数提升，有效提升了空穴注入效率；PEDOT:PSS空穴注入层采用4000 rpm的旋涂转速与150℃的退火温度，保证薄膜的平整度与导电性；PF8Cz空穴传输层采用优化后的溶液浓度与旋涂转速，精准调控薄膜厚度，提升了空穴传输能力；量子点发光层的溶液浓度与旋涂转速也通过优化，保证了量子点的致密排列与均匀覆盖；ZnMgO电子传输层通过溶液法制备，具有优异的电子传输能力，与量子点层形成良好的能级匹配；铝电极采用热蒸发法在高真空环境下制备，保证电极的导电性与器件的密封性。最后，器件在氮气手套箱内通过紫外固化环氧树脂与盖玻片进行封装，有效隔绝水汽与氧气，大幅提升器件的工作稳定性与使用寿命。
图3. QLED器件性能表征
QLED器件性能测试：光电性能与寿命大幅突破，超高分辨率显示实现动态成像
基于上述创新技术方案，团队制备的强电子限制InP/ZnSe/ZnS量子点及相应QLED器件，在光学性能、电致发光性能、器件稳定性、超高分辨率显示等方面均实现重大突破，全面超越传统InP基量子点器件。
（一）光学性能：高量子产率、窄半高宽，色纯度与光稳定性俱佳
强电子限制InP量子点展现出卓越的光学性能，其光致发光量子产率（PLQY）高达92.28%，较传统弱电子限制量子点的64.46%提升近50%，实现了高效的光致发光；荧光发射半高宽（FWHM）仅35 nm，低于传统量子点的42 nm，实现了超高色纯度的绿色发光。
光谱表征结果显示，强电子限制量子点的基态漂白恢复动力学更缓慢，荧光衰减寿命远高于传统弱电子限制量子点，这表明其表面缺陷被有效钝化，非辐射复合被显著抑制，辐射复合效率大幅提升。在紫外光持续照射的光稳定性测试中，强电子限制量子点的量子产率衰减速率远慢于传统量子点，在长时间照射后仍能保持较高的发光效率，展现出优异的光稳定性；变温光致发光测试表明，该量子点在20 K至300 K的宽温度范围内，发光强度与光谱峰位基本保持稳定，无明显的淬灭与红移现象。
（二）电致发光性能：高效率、高亮度，电荷泄漏被彻底抑制
基于强电子限制量子点的QLED器件展现出优异的电致发光性能，峰值外量子效率（EQE）达23.50%，峰值电流效率达 97.26 cd/A，较传统弱电子限制量子点器件提升2.8倍，实现了器件效率的跨越式提升；器件峰值亮度高达141325 cd/m2，是传统器件的3.33倍，远高于显示器件的实际工作亮度要求，展现出良好的高亮度应用潜力。
电致发光光谱表征显示，强电子限制量子点器件的发射峰位于542nm，半高宽仅43nm，CIE 色坐标为（0.320, 0.658），处于超高清显示绿色发光的最佳色域范围，实现了高色纯度的绿色发光；而传统弱电子限制量子点器件因严重的电荷泄漏，在电致发光光谱中出现明显的寄生发射峰，光谱展宽至52 nm，色纯度显著下降。电场依赖的光致发光测试表明，强电子限制量子点的斯塔克效应更弱，在不同电场强度下，发光光谱峰位与强度基本保持稳定，电子波函数不会因电场作用向壳层表面离域，从根本上解决了传统铟磷基量子点的电荷泄漏问题。
图4. 基于强电子限制量子点的有源矩阵发光二极管显示屏
（三）器件稳定性：寿命提升107.5倍，空穴传输层降解被有效抑制
器件寿命是显示技术产业化的核心指标之一，研究团队对器件的长期工作稳定性进行了系统测试，结果显示，在初始亮度约6470 cd/m2的工作条件下，强电子限制量子点器件的T50寿命达32.5 h，这一数值相当于在100 cd/m2的常规显示亮度下，器件T50寿命高达59151h，较传统弱电子限制量子点器件提升107.5倍，首次实现了InP基量子点器件寿命的数量级突破。
为揭示器件寿命大幅提升的核心机制，研究团队开展了器件老化实验与微观表征分析。结果表明，强电子限制量子点的优异电子限制能力，有效抑制了电子从量子点层向空穴传输层的泄漏，避免了泄漏电子对PF8Cz空穴传输层的电氧化作用。老化实验后，传统弱电子限制量子点器件的PF8Cz层出现明显的吸收红移与强度下降，碳1s光电子能谱中出现明显的C=O特征峰，表明空穴传输层的芴单元被氧化为芴酮，发生严重降解；而强电子限制量子点器件的PF8Cz层，其吸收光谱与光电子能谱均无明显变化，无降解现象发生，保持了良好的结构与性能。
为进一步验证这一机制，团队制备了ZnSe壳层厚度仅1 nm的量子点器件，因电子限制能力不足，该器件在100 cd/m2亮度下的半寿命仅3457 h，这一实验证明强电子限制能力是器件寿命提升的核心关键。此外，在恒定电流密度的工作条件下，强电子限制量子点器件的表面温度上升速率显著慢于传统器件，表明其能量转换效率更高，热损耗更低，不仅减少了因温度升高导致的器件老化，还进一步提升了器件的长期工作稳定性。
（四）超高分辨率显示：8460 PPI量子点阵列，实现无镉有源矩阵动态成像
基于非对称润湿性介导的组装策略，研究团队成功制备出像素尺寸低至1.5μm的量子点阵列，实现8460 PPI的超高分辨率，达到了微纳显示的超高分辨率标准。令人振奋的是，从20μm到1.5μm的全像素尺寸范围内，超高分辨率器件的平均峰值外量子效率均保持在20%以上，其峰值亮度、电流效率与薄膜器件相当，无明显的性能衰减，突破了传统工艺 “分辨率提升则性能衰减” 的难题。
测量表征结果显示，该量子点阵列的像素尺寸均匀、发光一致性优异，量子点在像素内排列致密、均匀，无明显的咖啡环效应与量子点聚集现象。在此基础上，研究团队进一步将强电子限制量子点阵列与薄膜晶体管（TFT）驱动电路集成，成功制备出1.85英寸、分辨率为 352×430的无镉有源矩阵LED显示屏，每个像素均可通过薄膜晶体管阵列独立调控驱动电流，实现连续、精准的灰度调节。该显示屏成功演示了蜥蜴的静态高分辨率成像，微观下相邻像素发光均匀、边界清晰，无串扰与漏光现象；同时实现了水滴流动、画面切换等动态视频成像，画面清晰、流畅，无拖影、闪烁、色偏等问题。
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