Fluolab【Adv.Mater.】突破2万cd/m²：高效量子点可渗透电极发光三极管赋能可见光通信与设备端数据加密
摘要
可见光通信（VLC）作为一种突破传统无线通信技术局限性的创新方案，在数据流量增长与频谱分配紧张的背景下，成为解决方案之一。尽管传统的两端光电子器件（如LED）在VLC中扮演重要角色，但其功能性与集成能力受到限制。因此，本研究引入了第三个可渗透电极（PE），构建高效量子点 PE 发光三极管（PeLETs）。该器件最高外量子效率（EQE）达 17.4%，亮度突破 29,000 cd/m²，并实现了单设备双数据流调制，增强数据吞吐能力。同时，PeLETs利用干扰数据传输过程的机制，实现了设备端数据加密，展现出下一代高度安全 VCL 系统的新概念。
研究背景与挑战
传统两端光电子器件（如LED、太阳能电池和光电二极管）在不同光电子系统中广泛应用。然而，其结构上的局限性导致难以提供额外功能，并限制了高密度集成电路的开发。近年来，采用可渗透电极（PE）的三端光电子器件成为突破瓶颈的解决方案，它们允许电荷载流子在两个垂直堆叠的单元之间流动，实现信号互联并提升器件架构的统一性。特别是在可见光通信（VLC）领域，具有宽带宽（400–800 THz）、数据流量分散和生物相容性的 LED 发光设备获得关注。然而，尽管 III-V 无机 LED 和有机 LED 在高效 VLC 领域已有研究，但其在高速数据传输和加密安全性方面仍然面临挑战。
研究方法与突破
本研究设计了单设备数据调制与加密架构，结合胶体量子点（QDs）与可渗透电极发光三极管（PeLET），突破传统的多元件加密平台，提供紧凑且可集成的解决方案。PeLET 结构包括 QD 作为发射层（EML），并配备 PE 以提供第三个电极，使得单设备可实现双输入数据流调制。同时，器件利用干扰信号层进行数据加密，提升通信安全性。研究展示了 PeLET 的高效性能，包括：
- 外量子效率达 17.4%，显著提升光电子器件转换效率；
- 亮度突破 29,000 cd/m²，满足高亮度光通信需求；
- 双通道数据流调制，突破传统单通道数据传输瓶颈；
- 设备端数据加密机制，通过干扰层对数据流进行编码，加密原始信息。
实验与性能评估
通过实验，研究人员成功制备了 PeLET 器件，并进行电学与光学性能表征。分析表明，量子点 EML 提供高光致发光（PL）量子产率、窄光谱宽度和短 PL 寿命，使器件具备高速调制能力。此外，研究发现：
- 电极厚度优化至 25 nm，既保证低电阻率，又确保电场可渗透性；
- ZnMgO 电子传输层优化，通过 DMSO 处理诱导纳米级孔洞形成，实现电场渗透至 LED 单元；
- 瞬态电致发光（TrEL）测试 显示，PeLET 具备高速数据调制能力，同时受电容充放电特性影响，呈现独特的动态行为。
数据传输与加密应用
PeLET 额外的电极允许光逻辑门实现 单设备数据调制，并可用于 双通道并行数据传输：
- 光逻辑门操作： 研究人员利用 PeLET 设计 AND 和 OR 逻辑门，实现单设备对输入信号的处理；
- 多值 EL 数据传输： 通过调整电极偏压，器件可生成不同 EL 亮度等级，提供并行数据通道；
- 设备端数据加密： 在数据流中引入干扰层，使得未授权访问者无法解读信息，提高数据安全性。
以单词 “NGON” 为例，研究人员通过 PeLET 设备进行数据编码，使数据在未解码情况下呈现为乱码信息（如图示）。解码过程需使用特定密钥进行恢复，从而确保传输安全。
未来展望
本研究提出的 PeLET 器件在 VLC 和数据加密领域展现巨大潜力。未来可进一步优化器件架构，通过介质工程提升高速信号调制能力，扩展 PeLET 在生物传感、高速室内通信、量子加密等领域的应用。随着数据安全需求的增长，该方案有望成为下一代信息通信技术的重要基石。
参考文献
Shin, S.; Lee, H.; Lee, W.; Lee, S.; Lim, K.; Cho, H. High‐Efficiency Quantum Dot Permeable Electrode Light‐Emitting Triodes for Visible Light Communications and on‐Device Data Encryption. Advanced Materials 2025, 2503189. https://doi.org/10.1002/adma.202503189.