近日，南方科技大学电子与电气工程系（简称“电子系”）副教授陈树明课题组提出了一种量子点-有机叠层发光二极管（LED）的新结构，实现了单颗LED发射红、绿、蓝、白及任意色彩的功能，有望取代传统红、绿、蓝LED，提高显示屏的分辨率及开口率。论文以“Quantum-dot and organic hybrid tandem light-emitting diodes with multi-functionality of full-color-tunability and white-light-emission”为题发表在《自然-通讯》（Nature Communications）。

        量子点发光二极管（QLED）因具有色纯度高、可溶液加工等独特优点，近年来受到产业界及学术界广泛关注。目前，QLED显示屏仍未能得到产业化量产，主要受限于蓝光QLED稳定性差、寿命短，以及红、绿、蓝发光层的图形化技术如喷墨打印技术还不成熟。针对上述问题，陈树明课题组提出采用稳定性更好、已成功得到商业化应用的蓝光OLED代替蓝光QLED，并采用叠层的器件结构，将OLED及QLED集成在一起，该叠层器件的发光层无需图形化，即可发射任意色彩。

图1.多功能叠层LED的器件结构图。

        如图1所示，该叠层器件的核心是引入了导电且透明的IZO作为中间电极，通过将中间IZO电极引出，该叠层器件可工作于并联模式或串联模式。当工作于并联模式并被交流电源驱动时，黄色QLED会被负脉冲点亮，蓝色OLED会被正脉冲点亮，因此叠层器件会交替发出黄色和蓝色两种颜色的光。通过在黄色QLED的发光层中引入红、绿互混的量子点，黄色QLED的发光颜色会随驱动电压的增大而逐渐从纯红色向纯绿色转变（图2(a)）。因此黄色QLED器件的发光颜色可以由驱动电压的大小来控制。通过简单地改变驱动信号的极性及幅值，该叠层LED可以交替发射红、绿和蓝三基色，其中蓝色由正脉冲控制，红色和绿色由负脉冲的幅值控制。如果正、负脉冲的切换频率大于60 Hz，还可以将分时输出的蓝光和红、绿光混合成任一色光；而通过调节偏压的幅值及脉宽，可调节任一色光的亮度。图2（b）到（d）分别为交流驱动器件发光颜色从红到绿、蓝到红、蓝到橙和蓝到绿变化的CIE坐标图、交流电压信号图和电致发光光谱图。

图2.（a）黄色QLED器件发光颜色随电压变化的原理图。（b）到（d）分别为交流驱动器件发光颜色从红到绿、蓝到红、蓝到橙和蓝到绿变化的CIE坐标图、交流电压信号图和电致发光光谱图。

        此外，当器件工作于串联模式，蓝色OLED和黄色QLED同时工作，可以实现高效率白光发射。如图3（a）到（d）所示，在直流驱动下，该白色叠层LED的外量子效率和亮度分别高达26.02%和107000 cd/m²。当器件被交流信号驱动发白光时，通过调控交流电压信号，不仅可以精确调节白光光谱的色温（1500~10000 K），还可以使白光的亮度任意可调（1000~50000 cd/m²）而光谱几乎维持不变，这为解决白光光谱稳定差的问题提供了一条新的思路。

图3.（a）到（d）为直流驱动时的叠层白光器件的光电性能。（e）到（g）为交流驱动时的叠层白光器件的光学性能。

        此项研究所提出的全色可调叠层LED，只需要变化驱动条件，单颗LED即可输出亮度可控的红、绿、蓝及任意色光。因此，单颗全色可调叠层LED，可以以一当多，作为全彩显示的红、绿、蓝像素，可显著的提高全彩显示屏的像素密度（分辨率）、开口率及亮度。另外，所提出的高效率、高亮度、色温可控的白光叠层LED可应用于固态照明领域。相关技术已申请发明专利（申请号202010343921.3）

        2018级南科大-哈工大联培博士生张恒为论文第一作者，陈树明为论文唯一通讯作者，南方科技大学为论文唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学面上基金、广东省自然科学杰出青年基金的资助。

        此外，近年来，陈树明课题组在叠层QLED、高效率高亮度QLED取得了一系列的成果，包括发展系列新型高效电荷产生层，开发可溶液加工、对量子点发光层无损的叠层器件新制备工艺，实现外量子效率分别超过23.1%，27.6%，21.4% 及23.4%的红、绿、蓝、白四色QLED (ACS Nano, 12, 697-704,2018; Advanced Functional Materials, 27, 1700610, 2017)；发展了Mg掺杂ZnO的新型电子传输层，建立了量子点掺杂等抑制激子淬灭的新策略，提出了配体修饰、热量管理等抑制效率滚降的新方法，实现了亮度超过160万尼特的超亮高效QLED (ACS Nano, 13, 11433-11442, 2019；Advanced Science ,5, 1800549, 2018)等。

        论文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-020-16659-x