电子约束增强型绿光 InP 基量子点用于主动矩阵 LED 显示屏

为日常设备带来更亮、更安全的屏幕

电视、智能手机和虚拟现实头显越来越依赖量子点 LED 来提供鲜艳的色彩和低能耗。然而，当今许多性能最佳的量子点含有镉这种有毒重金属，监管机构和制造商都希望逐步淘汰。该研究展示了如何用更安全的材料——磷化铟，制造出明亮的绿色量子点，并通过调控其形状，使未来的显示屏既能保持高性能又能无镉化。

为何更安全的量子点难以制造

量子点是受激时会发光的微小晶体，其颜色可通过改变尺寸来调节。以镉为基础的量子点长期以来设定了性能标准，但其毒性是大众市场应用的一大障碍。磷化铟是一种更环保的替代材料，然而发绿光的磷化铟量子点在亮度、色纯度和寿命方面一直落后。核心问题在于电子在这些颗粒内部的行为。在许多磷化铟量子点中，包覆核心的保护壳生长不均，形成偏侧的四足状结构。电子因此向表面扩散，而不是集中在应与空穴复合并高效发光的中心。这种电子“泄漏”不仅浪费能量，还会损伤器件中的相邻层，缩短其使用寿命。

使量子点表面更均匀

研究团队通过控制外壳在磷化铟核心不同晶面上的生长来应对这一挑战。计算机模拟表明，一个称为 (111) 晶面的面特别活性，往往比其他晶面更快吸附壳材料，导致外壳生长不均。为了平滑这一差异，团队用两种小分子的定制混合物对核心进行涂覆：正辛胺和一种含硒化合物。这些分子特别强烈地吸附到活性晶面，使其被“钝化”，从而使核心各晶面的表面能接近一致。在这些条件下，硒化锌壳层均向各方向生长，随后再生长一层硫化锌外壳，最终得到近乎球形的“强电子约束”量子点，电子在其中被紧密束缚于核心附近。

从更好的颗粒到更好的光学性能

精确测量显示，这种对量子点形貌的重塑显著改善了它们的光学行为。与使用传统配体制备的量子点相比，新颗粒发射的绿光具有非常窄的色散，意味着更高的色彩纯度，符合严格的显示标准。它们的光输出效率——即每吸收一个光子有多少光子被发射出来——上升到 92% 以上，远高于那些生长不均、电子约束较弱的量子点。时间分辨研究表明，改良后的量子点中激发态寿命更长，且不容易在表面缺陷处发生无辐射猝灭。强电子约束使电子远离悬挂键和陷阱位点，减少非辐射损失通道，并使电子与空穴的重叠更充分，从而提高每次激发产生光子的概率。

将更安全的量子点转化为可用的显示器件

当团队使用这些改良颗粒作为发光层构建完整的量子点 LED 器件时，效果显著。新器件的外部量子效率达到 23.5%，并实现了极高的峰值亮度，同时保持锐利的绿色。更重要的是，它们几乎没有来自相邻传输层的非期望发射，这表明电荷载流子在应当复合的位置复合，而非泄漏到别处。这种更好的行为转化为大幅延长的寿命：按典型显示亮度水平换算，使用强约束量子点的器件预计可工作超过 59,000 小时——比使用弱约束量子点的器件长百倍以上。研究人员还采用基于以图案化表面引导液膜的专门组装方法，将量子点排列成小至 1.5 微米的像素阵列，实现了每英寸 8,460 像素的超高分辨率，并且效率损失很小。

这对未来屏幕意味着什么

通过对磷化铟量子点表面化学的精确调控，这项工作表明，安全且无镉的材料能够提供用于前沿显示的效率、亮度、色彩质量和耐久性。关键是通过均匀生长的外壳实现强电子约束，从而防止电荷泄漏并保护脆弱的器件层。结合微米级像素的精确组装以及与主动矩阵驱动电路的集成，这些进展使无重金属量子点显示器在从手机到沉浸式头显的实际应用上更进一步。

引用: Guo, N., He, K., Li, H. et al. Electron confinement-enhanced green InP-based quantum dots for active-matrix LEDs displays. Nat Commun 17, 3268 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69050-7

关键词: 量子点显示器, 无镉 LED, 磷化铟, 电子约束, 高分辨率屏幕