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光学期刊 Light : Science & Applications 上发表了题为“Face-to-face integrated tandem quantum-dot LEDs with high performance and multifunctionality”的研究论文。

量子点发光二极管（QLED）的叠层技术通过垂直集成n个发光单元，理论上可将器件综合性能提升至单体的n倍，为超高清显示及固态照明领域带来革命性机遇。然而，传统溶液法制备的叠层 QLED 长期面临三大技术壁垒：1）中间电气连接层，界面能级失配导致的电荷注入困难； 2）溶剂正交性失效引发的膜层互溶； 3）多次退火工艺造成的器件损伤，严重制约了其性能的提升和长期稳定性。针对这一行业痛点，陈树明教授团队创新提出“面对面集成”叠层器件架构。该方案突破性地采用分立式制备工艺：首先独立优化顶发射单元和透明单元的光效特性和电荷传输性能，继而通过精密对位实现二个发光单元的空间耦合。该结构不仅可支持串联、并联及全彩可调三种工作模式，而且可实现效率创记录的高亮度叠层 QLED。

如图1所示，研究团队通过光学仿真对传统叠层 QLED 与面对面集成叠层 QLED的出光耦合效率（OCE）进行了系统性对比。图1g展现了该叠层 QLED 的详细器件结构，为了最大限度地减少光学损耗，团队通过精心的光学微腔设计使得底部单元和顶部单元分别展现超高的反射率和透过率（> 95% @ 630 nm），经严格计算和验证，这种面对面集成结构的 OCE 为75.9%，与传统叠层器件的OCE（77.2%）相媲美。另外该结构的两个单元可以同时制备，缩短了制备工艺以及避免了传统叠层中上层溶剂侵蚀下层薄膜的问题；同时两个器件相互封装，并不会引入额外的光学元件而造成损耗。

当工作在串联模式时，从电流-电压-亮度（J-V-L）特性可以看出这种叠层 QLED 的启亮电压为3.3 V，接近顶部和底部单元的启亮电压之和，这表明实现了优异的电气连接。在相同电流密度下，叠层 QLED 的亮度相比常规器件有了明显提升，自然地，叠层 QLED 的 EQE 也有了大幅提高，达到创纪录的60.7%。图2f展现了本文与其他文献报道的叠层 QLED 的各项关键性能指标对比，可以看出这种面对面集成的 QLED 具备最佳的性能指标。

陈树明团队探究了面对面集成叠层 QLED 在实现超高亮度的潜力。通过为底部单元与顶部单元分别匹配散热系数更高的硅和蓝宝石衬底，可以有效地减少内部热量的积累以便器件稳定地工作在大电流密度下，另外金属辅助电极的引入减小了电压在引线上的损耗。在并联模式下，叠层 QLED 可以工作在20 V的高电压和 35 A/cm² 以上的大电流密度条件下，最终，其亮度超过了4.8 x 10⁶ cd/m²。为进一步挖掘器件潜能，使用搭建的脉冲电源进行驱动，器件在脉冲间隔期间可以更好地散热。最终，在频率为1 kHz、宽度为100 ns的脉冲驱动下，该器件可以在超过1200 A/cm²的峰值电流密度下瞬时输出超过10⁷ cd/m²的亮度，单脉冲输出光能量 1.66 J/cm²，展现出其作为光泵浦源的巨大应用前景。

最后，团队演示垂直堆叠的全彩可调 QLED 器件，具体结构如图4a所示，通过蓝色顶部单元与底部单元集成，其中底部单元由红色正置 QLED 和绿色倒置 QLED，形成三原色（RGB）垂直集成装置。该设计的核心优势在于各发光单元的电致发光行为可实现独立驱控，从而实现对颜色、亮度及色温的精确调节，颜色调谐范围达到114% NTSC。为实现特定色坐标和目标亮度，团队基于色度学和光强配比反演计算出各子像素所需的目标亮度，并据此为 RGB 发光单元分别匹配了合适的直流电压驱动条件。如图4d所示，得到的白光光谱与预测的光谱非常吻合，说明这种调节模式的可靠性。下面为全彩可调 QLED 的演示视频。此类结构在实现高品质可调光照方面具有显著优势，为其在智能室内照明、氛围灯光控制等多元应用场景中的推广奠定了坚实基础。

本研究提出了一种简便且高效的方法，为高性能叠层量子点发光二极管（QLED）的实现提供了新的思路。得益于其优异的性能和多功能特性，该方法有望加速 QLED 技术在照明产业中的应用进程，并进一步拓展 QLED 在潜在应用领域中的应用前景，如光动力治疗、光泵浦激发等先进技术领域。

论文第一作者为南方科技大学2024级博士生李浩涛，2021级博士生王基铭参与了该工作，陈树明为唯一通讯作者，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。