The Innovation Materials | ‌给电致发光器件做“动态体检”：新型表征方法揭示量子点发光二极管工作机制

如果把QLED比作一名运动员，我们以往只看它跑得快不快、坚持得久不久，却看不清它体内的肌肉、呼吸和代谢到底出了什么问题。本文系统梳理了近年来原位、多尺度和时间分辨表征方法，希望整理出一套“动态体检方案”，帮助研究者把QLED的工作过程“看清楚”，让提升效率和寿命不再是“盲人摸象”，而是有据可依的精准优化。

导  读

量子点发光二极管（QLED）具有色纯度高、发光波长可调、色域宽等特点，被认为是下一代显示和照明的重要候选技术。近年来，红、绿、蓝三基色QLED的最高外量子效率已分别达到35.6%、28.7%和24.7%，器件性能已进入较高水平。然而，距离大规模应用仍有关键问题亟待解决：高亮度下效率滚降、电子-空穴注入失衡、界面猝灭以及长期稳定性不足，尤其是蓝光QLED寿命明显落后于红光和绿光器件。要真正解决这些问题，不能只看最终的效率和寿命等数字，还需要在器件运行过程中直接追踪载流子注入、激子复合、内部电场变化和局部老化过程。因此，原位、多尺度和时间分辨表征方法正在成为揭开QLED工作机制的“听诊器”和“显微镜”。

图1 图文摘要

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QLED工作原理

如图2所示，典型的QLED由阴极、电子传输层、量子点发光层、空穴传输/注入层和阳极组成。施加电压后，电子和空穴分别从器件两端注入，并在量子点发光层相遇形成激子；激子随后发生辐射复合，释放可见光。这些过程看似简单，实际包含电荷注入、传输、复合和光提取等多个连续环节。其中任何一个环节失衡，都可能导致效率下降或寿命缩短。例如，在常见ZnO电子传输层体系中，电子注入势垒较低、迁移率较高，电子注入往往快于空穴，容易造成电子积累、载流子泄漏和非辐射复合。传统的J-V-L、PL、EL、EQE和寿命测试可以快速评价器件性能，但多数情况下只能给出宏观结果。要进一步判断电子是否过量、空穴是否滞后、界面是否发生电荷转移、内建电场是否引发Stark效应等，就需要更精细的原位表征方法。

图2 QLED的结构与工作机制（A）QLED器件结构示意图；（B）QLED电荷注入、传输与发光过程

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单量子点发光机制

量子点是QLED的发光中心。单量子点光致发光能够观察到单个量子点的发光闪烁，即发光在“亮态”和“暗态”之间随机切换。已有研究通常将这种现象与电荷俘获和Auger非辐射复合联系起来：当量子点带电后，激子能量更容易通过非辐射通道损失，发光强度随之降低；当被俘获的电荷释放后，发光又会恢复。

单点PL结合光子关联和时间分辨探测，可以分析开/关时间、发光量子效率和电荷态的变化，从而判断核壳结构、晶相、表面缺陷和载流子俘获过程对发光稳定性的影响。但QLED在实际工作中由电注入驱动，因此还需要单点电致发光进一步模拟真实器件条件。如图3所示，单点EL将孤立量子点嵌入器件结构中，在施加偏压后直接观察中性激子、带电激子和双激子等发光通道，从而揭示电子/空穴注入速率、量子点充放电过程和激子形成效率之间的关系。单点PL/EL帮助我们从“一个量子点”的角度理解闪烁、带电和非辐射损失。值得注意的是，单点表征具有随机性和统计代表性限制，不能简单等同于整个器件的平均行为。因此，它更适合理解基本发光机制的“显微镜”，还需要与器件的原位表征结合。

图3 单量子点电致发光机制及单光子性能。（A）单量子点EL器件结构示意图；（B）电注入下量子点的电荷态、激子和双激子发光路径；（C）EL与PL条件下的g2(0)对比;（D）单量子点EL/PL联用测试装置及电注入形成激子的过程；（E）电注入前后PL寿命变化；（F）偏压下电子/空穴注入与光子发射动力学模型

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在工作器件追踪载流子动力学

在实际QLED中，电子和空穴必须在合适的位置、合适的时间相遇并复合。若电子注入过快或空穴注入不足，就会造成电荷积累、泄漏或界面猝灭，最终表现为效率滚降和寿命缩短。

单载流子器件，包含电子单载流子器件（EOD）和空穴单载流子器件（HOD），可以分别评估电子和空穴注入能力与传输能力，从而判断器件是否存在注入失衡。进一步地，时间分辨电致发光/电流（TREL/TRC）能够在脉冲偏压下记录发光延迟、上升和衰减过程，用于分析注入延迟、器件充电、载流子储存和复合动力学。文献中将典型TREL过程分为延迟、上升、稳态和平衡后衰减四个阶段，并指出TRC可补充反映器件的电学充放电过程。

如图4所示，电激发瞬态吸收（ETA）则进一步把瞬态光谱探测引入工作器件。与传统光激发TA不同，ETA用电脉冲驱动器件，再用探测光读取吸收变化，因此更接近真实QLED工作状态。通过分离带边漂白信号和电场诱导Stark信号，可以定量估算平均电子占据数，分析电子注入、积累、复合和泄漏过程，也能帮助判断效率滚降是否主要来自Auger复合、电子泄漏或电场效应。TREL/TRC告诉我们“光什么时候亮起来”，ETA进一步告诉我们“器件里积累了多少电子、有没有泄漏”。

图4 ETA解析QLED运行中的载流子动力学与失效机制。（A）ETA、TREL和电流瞬态信号，揭示电子注入、动态平衡和释放过程；（B，C）不同器件结构和温度下ETA响应，用于分析电子/空穴注入差异；（D）平均电子占据数随电压变化，指示电子积累与泄漏；（E，F）老化前后ETA光谱变化，反映界面和材料损伤；（G）反向偏压下PL变化，模拟电场对发光过程的影响

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追踪器件老化与局部失效

QLED老化通常不是单一因素造成的，而是界面电荷积累、激子猝灭、缺陷形成、内建电场变化和局部发光不均共同作用的结果。电吸收（EA）光谱诱导的Stark响应追踪器件内部电场变化，可分析平带电压、内建电势、层间分辨电场演化和电压损失路径。

纳秒瞬态吸收（ns-TA）结合时间分辨PL，则可以进一步区分界面猝灭是由电子转移还是空穴转移主导。通常，两类电荷转移都会缩短PL寿命，但它们在瞬态吸收信号中的表现不同，因此ns-TA/TRPL联用可用于识别界面非辐射损失的来源，并指导电子传输层、界面层和表面配体优化。

此外，原位EL/PL老化测试可在器件运行中同时追踪电致发光和光致发光，并将PL损失分为可恢复部分和不可逆部分：前者通常与瞬态充电或陷阱占据有关，后者则更接近永久性的量子点或界面损伤。空间分辨和时间分辨EL成像还能显示不同区域的亮度、上升时间和衰减时间差异，有助于定位局部亮度不均和早期失效热点。

总结与展望

本文按照尺度和物理问题，梳理了QLED的新型诊断工具箱：涵盖单量子点PL/EL、HOD/EOD、TREL/TRC、ETA、EA、ns-TA、原位EL/PL以及空间分辨成像等技术，用于解析发光闪烁、载流子失衡、界面猝灭、内部电场和局部老化等关键问题，并为核壳结构、界面工程和器件稳定性优化提供诊断依据。

未来，QLED研究亟需发展更高时间和空间分辨率的原位诊断平台，尤其是针对蓝光QLED。若进一步将TREL/TRC、ETA、EA和空间发光成像等多模态数据与机器学习相结合，有望实现失效机制智能识别、早期老化预警，以及材料/器件结构的快速筛选。

责任编辑

张   昕    中国科学院大学

吴育杭    The Innovation