南科大陈树明课题组在 QLED 中实现纳秒级的超短光脉冲输出
近日，南方科技大学电子与电气工程系陈树明教授课题组在国际学术期刊 Science Advances 上发表了题为“Nanosecond-pulsed electroluminescence from high current driven quantum-dot light-emitting diodes”的研究论文。团队研发出超快响应的量子点发光二极管（QLED），实现了纳秒级、高能量的光脉冲输出。
具有高瞬时功率的超短光脉冲，在超快光电子学、超快光谱学、高分辨率快速成像显微镜和材料加工中具有广泛的应用。通常，纳秒到飞秒范围内的超短光发射是通过激光器获得的，而激光器价格昂贵。如果能在 LED 中实现超短光脉冲输出，则可大幅度的降低成本。研究团队通过利用电阻电容等效电路对 QLED 进行建模，并分析电路的瞬态电流，揭示了载流子注入和传输过程对 QLED 瞬态电致发光的根本影响。这些发现有助于指导快速响应 QLED 的优化。在大电流源的驱动下，优化后的 QLED 可以输出稳定且可重复的超短电致发光（EL），脉冲持续时间为 20 ns，重复频率为 50 kHz，输出功率高达 5.4 W/cm2。得益于 ns 脉冲 EL 技术，所开发的 QLED 可以直接用作时间分辨荧光光谱的瞬时光源。同时，它也可以用作高速成像的闪光灯以实现常规手段难以捕捉的超高速瞬间成像。这表明 QLED 在诸如激光泵浦、超快光谱学、飞行时间测量和高速成像等领域具有潜在的应用前景。
图1展示了 QLED 的电阻-电容等效电路模型及其瞬态电流（transient current, TRC）分析结果。通过这种建模方法，研究团队能够准确地描述载流子在 QLED 中的注入和传输过程。当施加电压脉冲时，电子首先被注入到量子点中，随后空穴也开始注入。空穴在 TFB 及 QDs 的输运和复合决定了EL的时间延迟（td）和上升时间（tr），从而影响 EL 的响应速度。通过提高 TFB 和 QDs 的空穴迁移率，或增加施加在 TFB 和 QDs 上的电场强度，可以增强空穴速度，从而缩短空穴穿越时间。此外，应减少 Rs 和 ETL 的电阻，使外加电压主要落在 TFB 和 QDs 上，以加速空穴漂移。
图2展示了通过增强空穴迁移率、降低 Rs 及 ETL 电阻，进而使得电流提升，以实现快速响应的 EL。通过减小发光面积，降低了横向传输电阻，可显著增强器件的电流。进一步通过热量管理，将玻璃基板替换为热导率更高的硅，可有效降低器件的热量积累，最终提升器件的电流。此外，通过在 IZO 顶电极周围添加辅助电极，降低传输线电阻，也可使器件的电流提升3.7倍。最后，通过后退火处理，使金属电极和 ETL 的接触更紧密，降低了电子的注入势垒，最终使电流在8 V下提高到2760 mA/cm2，并使 EL 的 Tr 从1500 ns大幅减少到300 ns。
最终优化的快速响应 QLED 器件结构如图 3A所示。在35 V高压脉冲的驱动下，QLED 快速响应，EL 的上升时间仅为10 ns，且能稳定的输出脉宽仅为20 ns 的 EL，最大输出功率达5.4 W/cm2，且具有较好的输出稳定性，经过10天的连续测试后（每天连续输出107个光脉冲），EL 的强度仅下降到初始值的80%。
研发的 QLED 能够输出纳秒级（20 ns）的超短光脉冲，因此该 QLED 可作为时间分辨荧光光谱仪的瞬时激发源，在超短时间内提供一个荧光激发信号。图 4展示了使用 QLED 激发荧光样本时，所得到的时间分辨荧光信号。自制系统的测量结果与使用商用爱丁堡FS5荧光光谱仪测得的结果非常吻合，表明系统具有较高的可靠性。这也表明所研发的 QLED 有潜力可取代昂贵激光器，应用于超快光谱的研究。
研发的 QLED 能够输出纳秒级（20 ns）的超短光脉冲，使该 QLED 可用作高速成像中的快速曝光闪光灯。高速摄影常用于捕捉快速移动物体的图像，例如落下的水滴、高速飞行的物体等。通常，高速摄影依赖于快速快门，其速度可以超过每秒1000次，以冻结肉眼无法察觉的瞬间。但是目前没有快速快门能够捕捉发生在 ns 级的瞬态过程。借助 ns 脉冲曝光闪光灯，物体仅在 ns 时间内曝光，因此即使普通相机也能捕捉到发生在 ns 级的瞬态过程。图 5中展示了使用 QLED 进行高速成像时的曝光效果，通过将恒定照明替换为20 ns 脉冲闪光，可以在超短的时间内迅速“冻结”快速下落的水滴运动。与传统闪光灯相比，QLED 的优势在于其低廉的成本和超快的响应性能。
综上所述，研究团队通过分析 QLED 的电阻-电容等效电路的瞬态响应特性，揭示了影响 QLED 响应的基本电荷注入和传输过程的动力学。通过优化 QLED 的结构，提高 QLED 的响应速度，使 QLED 能输出脉宽为20 ns，功率达5.4 W/cm2的超短 EL，并展示了其作为瞬态光源在超快光谱、快速成像中的实际应用。团队所研发的溶液处理 QLED 具有超短 EL 和高瞬时功率，为 QLED 在激光泵浦、光动力疗法、超快光谱学、飞行时间测量和高速成像方面的新兴应用开辟道路。
论文的第一作者为南方科技大学博士研究生周天鸿，第二作者为博士研究生田丰收，唯一通讯作者为陈树明，南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、深圳市基础研究项目的资助。
