Рекордная эффективность красных QR-LED: новое поколение дисплеев

Инженеры из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) добились прорыва в области квантово-стержневых светодиодов (QR-LED), установив новый рекорд эффективности для красных QR-LED. Эта разработка обещает революционизировать дисплеи и освещение следующего поколения, обеспечивая пользователям смартфонов и телевизоров более яркий и насыщенный визуальный опыт.

Светодиоды (LED) десятилетиями применяются в электронике. Недавние достижения в области квантовых материалов привели к появлению квантово-точечных светодиодов (QD-LED) и QR-LED. QD-LED превосходят традиционные LED по чистоте цвета и яркости. Однако основным препятствием для дальнейшего улучшения их производительности стало снижение эффективности вывода света (outcoupling efficiency), которое ограничивает внешнюю квантовую эффективность (EQE).

Квантовые стержни, основа QR-LED, представляют собой вытянутые анизотропные нанокристаллы с уникальными оптическими свойствами. Их можно настроить для оптимизации направления излучения света и, как следствие, повышения эффективности вывода. Тем не менее, QR-LED сталкиваются с двумя серьезными техническими проблемами: низкий выход фотонов после поглощения света (фотолюминесцентная квантовая эффективность) и значительная утечка тока из-за низкого качества тонкопленочных слоев.

Для решения этих проблем команда под руководством профессора Абхишека К. Шриваставы из Департамента электронного и компьютерного инжиниринга (ECE) сосредоточилась на повышении оптических характеристик QR-LED за счет усовершенствования синтеза. Они добились превосходной фотолюминесцентной квантовой эффективности до 92% как для зеленых, так и для красных квантовых стержней, а также обеспечили однородное распределение размеров и формы, что критически важно для оптимизации работы QR-LED.

Ранее в исследованиях часто упускалось из виду влияние утечки носителей заряда, вызванной неравномерностью пленок квантовых стержней, на снижение эффективности вывода света в QR-LED. Чтобы решить эту проблему, команда разработала эквивалентную схему, демонстрирующую негативное воздействие тока утечки в традиционных структурах QR-LED.

Эта модель предоставила ценные сведения о работе устройства, что позволило сформулировать целенаправленные решения для подавления утечки тока. Путем стратегической модификации структуры QR-LED команда добилась двойного прорыва: одновременного улучшения сбалансированной инжекции носителей заряда и подавления утечки тока.

Результаты оказались впечатляющими: оптимизированные красные QR-LED достигли пиковой EQE в 31% и пиковой яркости 110 000 кд/м², установив новый рекорд в предыдущих исследованиях красных QR-LED. Кроме того, для проверки универсальности своих стратегий команда применила тот же подход к зеленым квантовым стержням типа "точка-в-стержне" (dot-in-rod).

Зеленые устройства также показали впечатляющие результаты, достигнув пиковой EQE в 20,2% и сверхвысокой яркости 250 000 кд/м². Эти достижения не только демонстрируют эффективность инноваций, но и подчеркивают их потенциал для применения в QR-LED различных цветовых вариантов.

Профессор Шривастава, соответствующий автор исследования, отметил: "Предыдущие исследования QD-LED были сосредоточены в основном на оптимизации структур квантовых точек для достижения высокой эффективности, но этот подход неприменим к квантовым стержням вытянутой формы, таким как QR-LED. Используя эквивалентные схемы и микроморфологию квантовых стержней, мы обнаружили, что QR-LED имеют широкие поры из-за своей формы, что приводит к критической утечке тока — проблеме, с которой не сталкиваются плотно упакованные QD-LED. Модифицируя структуру устройства, мы устранили проблемы качества в эмиттирующем слое и подтвердили фундаментальные преимущества квантовых стержней над квантовыми точками. Эта работа призвана направлять исследования аналогичных анизотропных нанокристаллов и способствовать их коммерческому применению."