退火溫度調控QLED正老化：EQE提升至26.7%與T₉₀壽命延長22倍

1 背景與問題

量子點發光二極管（QLED）作為下一代顯示和固態照明的核心技術，近年來在學術界和工業界取得了顯著進展。然而，器件的效率滾降（Efficiency Roll-off）和操作穩定性（Operational Stability）仍然是製約其商業化應用的主要瓶頸。通常情況下，器件在製備後會經曆性能衰減的“負老化”過程，但在某些特定條件下，QLEDs會表現出一種奇特的“正老化”現象——即在經過一段時間的擱置或老化後，器件的電流密度、亮度和外量子效率（EQE）反而顯著提升。

盡管這一現象已被多次報道，但其背後的物理機製——特別是界面反應與內建電場演化的關系——仍存在爭議。為了深入理解並利用這一現象來優化器件性能，研究人員不僅需要合成高質量的核殼結構量子點，更需要一套精密的測試體系來監測器件在老化過程中的電學特性變化（J-V-L曲線）、發光效率演變（EQE）以及長期壽命（T90）。隻有通過高精度的瞬態與穩態測試，才能揭示界面勢壘的變化規律，從而指導材料配方的改良。

2 核心方案

本論文研究了一種基於CdSe/ZnxCd1-xSe/ZnSeyS1-y核殼結構量子點與ZnMgO電子傳輸層的QLED器件。研究團隊通過精細調控ZnMgO層的退火溫度，系統分析了器件在不同老化時間下的性能演變。

為了破解“正老化”的謎題，論文采用了多維度的測試技術方案：

2.1 J-V-L與EQE特性測試：利用半導體參數分析儀記錄器件在不同老化階段的電流密度-電壓-亮度曲線，量化評估器件的注入效率與發光效率提升；

2.2 成像亮度計分析：使用高分辨率的成像亮度計監測器件發光區域的均勻性變化，發現老化過程伴隨著發光區域從邊緣向中心的擴展，最終實現100%的均勻發光；

2.3 開爾文探針與表面光電壓（SPV）技術：這是論文揭示機理的核心手段。通過測量接觸電勢差（CPD）和表面光電壓譜，研究人員直接觀測到了ZnMgO與Al電極界面處功函數的變化，證實了AlOx中間層的形成導緻內建電勢增大，從而促進了載流子注入平衡。

圖1. 在140°C退火溫度下，不同老化時間下器件的性能評估。

(a) J−V−L特性，(b) EQE−J特性，以及(c)在恒定電流1mA/cm²條件下4mm² EL區域的特性。(d)測量器件熒光強度的實驗裝置示意圖。(e)不同位置和老化時間下的熒光強度變化。

3 實驗結果與分析

通過系統的實驗測試，論文得出了令人振奮的數據，證實了界面工程對QLED性能的巨大提升作用。

4 關鍵發現

4.1 效率倍增：在室溫退火條件下，經過5天的正老化，器件的峰值外量子效率（EQE）從初始的4.9%飆升至26.7%，提升了約5.4倍；

4.2 亮度爆發：同等條件下，器件亮度從9,525 cd/m²增長至92,199 cd/m²，增長了近10倍；

4.3 壽命延長：通過優化退火溫度至100°C，器件在5000 cd/m²初始亮度下的T50壽命得到了顯著延長。推算至100 cd/m²的常規使用亮度下，T90壽命可達約242,000小時，相比未優化條件提升了22倍；

4.4 機理驗證：開爾文探針測試表明，老化過程中ZnMgO的功函數降低了約0.7eV，與Al電極的能級差減小，形成了更強的內建電場，有效抑製了激子猝滅。

圖2. 不同退火溫度下器件性能的變化：

(a) 5V時的亮度，(b)5V時的電流密度，以及(c)最大光電轉換效率。(d)不同退火溫度下ZnMgO的工作函數、表面能帶彎曲和電子親和勢的變化(圖inset為ZnMgO表面能帶示意圖)。(e)不同退火溫度下器件性能的壽命。(f)分別在100°C和140°C退火條件下，20個器件測得的最大光電轉換效率的直方圖。

5 設備介紹

EL-Lab

多通道電緻發光與壽命測試

EL-Lab是一款多通道電緻發光器件測試與壽命分析平台，用於同步監測OLED、LED及新型發光器件的電學、亮度和衰減特性。系統主要用於提高器件配方、封裝和驅動條件的並行篩選效率。適用於器件壽命測試、老化機理分析、工藝對比和研發質量控製。OLED、QLED和PeLED研發正持續關注效率滾降、高亮度壽命、封裝失效和驅動應力下的性能變化。EL-Lab適合進行多器件並行老化、配方篩選和壽命分布分析，幫助研發團隊更快識別影響器件穩定性的材料與工藝因素。

5.1 技術特點

(1) 采用多通道並行測量架構，可對多個發光器件同步開展電學、亮度和穩定性測試；

(2) 光電測量模塊響應波長覆蓋350-1100 nm，可覆蓋可見光及近紅外發光器件；

(3) 亮度測試範圍覆蓋0.01 cd/m²-20000 cd/m2，電壓分辨率1 mV、電流分辨率1 μA（低電流測量10 nA級）；

(4) 支持器件溫度與氣氛監測。

5.2 設備優勢

(1) 相較源表、亮度計和老化架分散搭建，EL-Lab將多通道驅動、光電檢測和壽命記錄整合，降低同步與數據管理成本；

(2） 多器件並行測試能夠更快比較材料、封裝和驅動條件，使研發團隊獲得更具統計意義的壽命結論；

(3) 可見至近紅外響應與標準化長期記錄流程，便於覆蓋新型發光器件並建立可追溯的研發質量數據；

(4) 多通道同步老化減少不同時間、設備和操作人員造成的偏差，更適合研發團隊進行配方篩選和器件壽命統計。

原文參考：Optimizing Device Efficiency and Lifetime through Positive Ageing in Quantum Dot Light-Emitting Diodes