【產通社，4月14日訊】南方科技大學（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網消息，其電子與電氣工程系陳樹明教授課題組在國際學術期刊 Science Advances 上發表了題為“Nanosecond-pulsed electroluminescence from high current driven quantum-dot light-emitting diodes”的研究論文。團隊研發出超快響應的量子點發光二極管（QLED），實現了納秒級、高能量的光脈沖輸出。

具有高瞬時功率的超短光脈沖，在超快光電子學、超快光譜學、高分辨率快速成像顯微鏡和材料加工中具有廣泛的應用。通常，納秒到飛秒范圍內的超短光發射是通過激光器獲得的，而激光器價格昂貴。如果能在 LED 中實現超短光脈沖輸出，則可大幅度的降低成本。研究團隊通過利用電阻電容等效電路對 QLED 進行建模，并分析電路的瞬態電流，揭示了載流子注入和傳輸過程對 QLED 瞬態電致發光的根本影響。這些發現有助于指導快速響應 QLED 的優化。在大電流源的驅動下，優化后的 QLED 可以輸出穩定且可重復的超短電致發光（EL），脈沖持續時間為 20 ns，重復頻率為 50 kHz，輸出功率高達 5.4W/cm2。得益于 ns 脈沖 EL 技術，所開發的 QLED 可以直接用作時間分辨熒光光譜的瞬時光源。同時，它也可以用作高速成像的閃光燈以實現常規手段難以捕捉的超高速瞬間成像。這表明 QLED 在諸如激光泵浦、超快光譜學、飛行時間測量和高速成像等領域具有潛在的應用前景。

圖1展示了 QLED 的電阻-電容等效電路模型及其瞬態電流（transient current, TRC）分析結果。通過這種建模方法，研究團隊能夠準確地描述載流子在 QLED 中的注入和傳輸過程。當施加電壓脈沖時，電子首先被注入到量子點中，隨后空穴也開始注入�？昭ㄔ� TFB 及 QDs 的輸運和復合決定了EL的時間延遲（td）和上升時間（tr），從而影響 EL 的響應速度。通過提高 TFB 和 QDs 的空穴遷移率，或增加施加在 TFB 和 QDs 上的電場強度，可以增強空穴速度，從而縮短空穴穿越時間。此外，應減少 Rs 和 ETL 的電阻，使外加電壓主要落在 TFB 和 QDs 上，以加速空穴漂移。

圖2展示了通過增強空穴遷移率、降低 Rs 及 ETL 電阻，進而使得電流提升，以實現快速響應的 EL。通過減小發光面積，降低了橫向傳輸電阻，可顯著增強器件的電流。進一步通過熱量管理，將玻璃基板替換為熱導率更高的硅，可有效降低器件的熱量積累，最終提升器件的電流。此外，通過在 IZO 頂電極周圍添加輔助電極，降低傳輸線電阻，也可使器件的電流提升3.7倍。最后，通過后退火處理，使金屬電極和 ETL 的接觸更緊密，降低了電子的注入勢壘，最終使電流在8 V下提高到2760 mA/cm2，并使 EL 的 Tr 從1500 ns大幅減少到300 ns。

最終優化的快速響應 QLED 器件結構如圖 3A所示。在35 V高壓脈沖的驅動下，QLED 快速響應，EL 的上升時間僅為10 ns，且能穩定的輸出脈寬僅為20 ns 的 EL，最大輸出功率達5.4 W/cm2，且具有較好的輸出穩定性，經過10天的連續測試后（每天連續輸出107個光脈沖），EL 的強度僅下降到初始值的80%。

研發的 QLED 能夠輸出納秒級（20 ns）的超短光脈沖，因此該 QLED 可作為時間分辨熒光光譜儀的瞬時激發源，在超短時間內提供一個熒光激發信號。圖 4展示了使用 QLED 激發熒光樣本時，所得到的時間分辨熒光信號。自制系統的測量結果與使用商用愛丁堡FS5熒光光譜儀測得的結果非常吻合，表明系統具有較高的可靠性。這也表明所研發的 QLED 有潛力可取代昂貴激光器，應用于超快光譜的研究。

研發的 QLED 能夠輸出納秒級（20 ns）的超短光脈沖，使該 QLED 可用作高速成像中的快速曝光閃光燈。高速攝影常用于捕捉快速移動物體的圖像，例如落下的水滴、高速飛行的物體等。通常，高速攝影依賴于快速快門，其速度可以超過每秒1000次，以凍結肉眼無法察覺的瞬間。但是目前沒有快速快門能夠捕捉發生在 ns 級的瞬態過程。借助 ns 脈沖曝光閃光燈，物體僅在 ns 時間內曝光，因此即使普通相機也能捕捉到發生在 ns 級的瞬態過程。圖 5中展示了使用 QLED 進行高速成像時的曝光效果，通過將恒定照明替換為20 ns 脈沖閃光，可以在超短的時間內迅速“凍結”快速下落的水滴運動。與傳統閃光燈相比，QLED 的優勢在于其低廉的成本和超快的響應性能。    （完）