胶体半导体量子点（QDs）凭借高色纯度和可调发射波长，成为显示技术的理想候选材料。虽然单色QLED已取得显著进展，但单组分白色QLED（sc-WQLED）的性能瓶颈突出：其外部量子效率普遍低于2%，主要受限于白色QD激子发光效率低下。现有技术路线面临两难选择：超小缺陷态QD的PLQY过低，而金属离子掺杂QD又存在EL猝灭问题。钙钛矿材料虽可通过自陷激子实现高PLQY，但受限于较差的电荷注入能力和结构不稳定性。这些根本性缺陷严重制约了sc-WQLED的实际应用。
创新成果
上海大学杨绪勇教授、张建华教授、美国密歇根大学Xiwen Gong等研究人员通过将尖锐的激子蓝光发射与宽带黄色自陷激子发射相结合，实现了核/壳结构ZnSe/ZnS量子点的可控合成，该量子点具有高效的白光发射，这是通过用卤素离子异价掺杂使ZnSe核局部晶格软化引起的。研究发现，被限制在周围ZnSe共价键基质中的自陷激子可以产生强而稳定的黄光发射，同时对ZnSe的激子蓝光发射和电荷传输能力的降低最小。基于这种方法，展示了高效、无重金属的WQLED，其最大外部量子效率高达15%（平均10.5±2.6%），亮度超过26,000 cd m-2，并且器件工作寿命极长，在初始亮度为100 cd m-2时，T50超过2,500小时。
相关研究成果以“Local lattice softening in semiconductor quantum dots for efficient white light-emitting diodes”为题发表在Nature Photonics上。
核心创新点
局部晶格软化实现高效白光发射：通过在ZnSe量子点中引入卤素离子（如氯离子），实现了局部晶格软化，从而在量子点中产生了宽带白光发射。这种局部晶格软化促进了电子-声子耦合，导致自陷激子（STE）的形成，从而实现了高效的白光发射。
高效的单组分白光量子点发光二极管（sc-WQLEDs）：基于Cl:ZnSe/ZnSe/ZnS核壳结构的量子点，实现了高效的单组分白光量子点发光二极管，其最大外量子效率（EQE）达到15%（平均10.5% ± 2.6%），亮度超过26,000 cd/m2，并且在初始亮度为100 cd/m2时，器件的半衰期（T50）超过2,500小时。
双发射机制的揭示：通过实验和理论计算，揭示了Cl:ZnSe/ZnSe/ZnS量子点的双发射机制。这种量子点同时具有激子发射（蓝光）和自陷激子发射（黄光），通过调整卤素离子的含量，可以精确控制两种发射的比例，从而实现白光发射。
电子-声子耦合增强与自捕获激子（STEs）的稳定发射：通过密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，发现Cl:ZnSe/ZnSe/ZnS量子点具有显著增强的电子-声子耦合（Huang - Rhys因子S = 10.3），这促进了STEs的形成，并且在80 K到300 K的温度范围内保持了稳定的发射特性。
数据概览
图1.白色量子点的制备和结构分析
图2.白色量子点的发光机理和光学特性
图3.白色量子点的超快激子动力学和能带结构
图4.sc-WQLED的设备结构和性能
成果启示
这项研究展示了基于环保型Cl:ZnSe/ZnSe/ZnS量子点发光器件的高效、明亮且稳定的单晶硅量子点发光二极管（sc-WQLED）。将卤离子掺入共价ZnSe基质中，不仅可以软化局部晶格，促进增强的电子-声子耦合，从而实现低能宽带STE发射，还能保留ZnSe量子点固有的蓝光发射，从而产生强烈的白光发射。局部软化的Zn-X键可以通过ZnSe基质的共价键得到很好的稳定，从而显著提高材料和器件的稳定性。这些结果表明，使用具有不同发射中心的单组分量子点，在实现高性能多色发光器件方面具有巨大的潜力。研究结果还提供了一种新颖的策略，不仅限于制备高质量的白光量子点，还可以制备其他多色发光材料，用于多种光电应用。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01716-y
（来源：科学前沿阵地）
