Two-dimensional (2D) nanocrystals are promising for optoelectronic and microelectronic technologies. However, the performance of 2D nanocrystal light-emitting diodes (LEDs) remains limited. Here, exciton dynamics are rationally controlled by both shell engineering and device engineering, obtaining colloidal quantum well LEDs (CQW-LEDs) with superior performance. The formation of CQW films on charge transport layers shows an excellent photoluminescence quantum yield of 76.63%. An unreported relationship among Auger lifetime, electron confinement energy, and external quantum efficiency (EQE) in 2D nanocrystal devices is directly observed. The optimized CQW-LEDs possess a maximum power efficiency of 6.04 lm W−1 and a current efficiency of 9.20 cd A−1, setting record efficiencies for 2D nanocrystal red LEDs. Additionally, a remarkable EQE of 13.43% has been achieved, accompanied by an exceptionally low efficiency roll-off. Significantly, EQE for flexible CQW-LEDs is 42-fold higher than the previous best results. Furthermore, active-matrix CQW-LEDs on printed circuit boards are developed. The findings not only unlock new possibilities for controlling exciton dynamics but also provide an alternative strategy to achieve high-performance 2D nanocrystal based applications.

1.
S.
Ithurria
,
M. D.
Tessier
,
B.
Mahler
,
R. P. S. M.
Lobo
,
B.
Dubertret
, and
A. L.
Efros
,
Nat. Mater.
10
,
936
(
2011
).
2.
C. E.
Rowland
,
I.
Fedin
,
H.
Zhang
,
S. K.
Gray
,
A. O.
Govorov
,
D. V.
Talapin
, and
R. D.
Schaller
,
Nat. Mater.
14
,
484
(
2015
).
3.
A.
Riedinger
,
F. D.
Ott
,
A.
Mule
,
S.
Mazzotti
,
P. N.
Knusel
,
S. J. P.
Kress
,
F.
Prins
,
S. C.
Erwin
, and
D. J.
Norris
,
Nat. Mater.
16
,
743
(
2017
).
4.
C.
Dabard
,
V.
Guilloux
,
C.
Gréboval
,
H.
Po
,
L.
Makke
,
N.
Fu
,
X. Z.
Xu
,
M. G.
Silly
,
G.
Patriarche
,
E.
Lhuillier
,
T.
Barisien
,
J. I.
Climente
,
B. T.
Diroll
, and
S.
Ithurria
,
Nat. Commun.
13
,
5094
(
2022
).
5.
J.
Yu
and
C.
Dang
,
Cell Rep. Phys. Sci.
2
,
100308
(
2021
).
6.
M.
Sharma
,
K.
Gungor
,
A.
Yeltik
,
M.
Olutas
,
B.
Guzelturk
,
Y.
Kelestemur
,
T.
Erdem
,
S.
Delikanli
,
J. R.
McBride
, and
H. V.
Demir
,
Adv. Mater.
29
,
1700821
(
2017
).
7.
Z.
Chen
,
B.
Nadal
,
B.
Mahler
,
H.
Aubin
, and
B.
Dubertret
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
295
(
2014
).
8.
S.
Jana
,
R.
Martins
, and
E.
Fortunato
,
Nano Lett.
22
,
2780
(
2022
).
9.
X. L.
Dai
,
Z. X.
Zhang
,
Y. Z.
Jin
,
Y.
Niu
,
H. J.
Cao
,
X. Y.
Liang
,
L. W.
Chen
,
J. P.
Wang
, and
X. G.
Peng
,
Nature
515
,
96
(
2014
).
10.
N.
Aizawa
,
Y. J.
Pu
,
Y.
Harabuchi
,
A.
Nihonyanagi
,
R.
Ibuka
,
H.
Inuzuka
,
B.
Dhara
,
Y.
Koyama
,
K. I.
Nakayama
,
S.
Maeda
,
F.
Araoka
, and
D.
Miyajima
,
Nature
609
,
502
(
2022
).
11.
Z.
Chu
,
W.
Zhang
,
J.
Jiang
,
Z.
Qu
,
F.
Ma
,
Y.
Zhao
,
X.
Chu
,
Y.
Shen
,
Y.
Li
,
Z.
Yin
,
X.
Zhang
, and
J.
You
,
Nat. Electron.
6
,
360
(
2023
).
12.
M.
Sheen
,
Y.
Ko
,
D-u
Kim
,
J.
Kim
,
J-h
Byun
,
Y.
Choi
,
J.
Ha
,
K. Y.
Yeon
,
D.
Kim
,
J.
Jung
,
J.
Choi
,
R.
Kim
,
J.
Yoo
,
I.
Kim
,
C.
Joo
,
N.
Hong
,
J.
Lee
,
S. H.
Jeon
,
S. H.
Oh
,
J.
Lee
,
N.
Ahn
, and
C.
Lee
,
Nature
608
,
56
(
2022
).
13.
F.
Fan
,
P.
Kanjanaboos
,
M.
Saravanapavanantham
,
E.
Beauregard
,
G.
Ingram
,
E.
Yassitepe
,
M. M.
Adachi
,
O.
Voznyy
,
A. K.
Johnston
,
G.
Walters
,
G.
Kim
,
Z.-H.
Lu
, and
E. H.
Sargent
,
Nano Lett.
15
,
4611
(
2015
).
14.
U.
Giovanella
,
M.
Pasini
,
M.
Lorenzon
,
F.
Galeotti
,
C.
Lucchi
,
F.
Meinardi
,
S.
Luzzati
,
B.
Dubertret
, and
S.
Brovelli
,
Nano Lett.
18
,
3441
(
2018
).
15.
V. I.
Klimov
,
A. A.
Mikhailovsky
,
D. W.
McBranch
,
C. A.
Leatherdale
, and
M. G.
Bawendi
,
Science
287
,
1011
(
2000
).
16.
Y.-H.
Won
,
O.
Cho
,
T.
Kim
,
D.-Y.
Chung
,
T.
Kim
,
H.
Chung
,
H.
Jang
,
J.
Lee
,
D.
Kim
, and
E.
Jang
,
Nature
575
,
634
(
2019
).
17.
Y.
Kelestemur
,
Y.
Shynkarenko
,
M.
Anni
,
S.
Yakunin
,
M. L.
De Giorgi
, and
M. V.
Kovalenko
,
ACS Nano
13
,
13899
(
2019
).
18.
Z.
Li
,
F.
Chen
,
L.
Wang
,
H.
Shen
,
L.
Guo
,
Y.
Kuang
,
H.
Wang
,
N.
Li
, and
L. S.
Lin
,
Chem. Mater.
30
,
3668
(
2018
).
19.
Z.
Zhang
,
Y.
Ye
,
C.
Pu
,
Y.
Deng
,
X.
Dai
,
X.
Chen
,
D.
Chen
,
X.
Zheng
,
Y.
Gao
,
W.
Fang
,
X.
Peng
, and
Y.
Jin
,
Adv. Mater.
30
,
1801387
(
2018
).
20.
S.
Hu
,
F.
Shabani
,
B.
Liu
,
L.
Zhang
,
M.
Guo
,
G.
Lu
,
Z.
Zhou
,
J.
Wang
,
J. C.
Huang
,
Y.
Min
,
Q.
Xue
,
H. V.
Demir
, and
C.
Liu
,
ACS Nano
16
,
10840
(
2022
).
21.
E.
Baghani
,
S. K.
O'Leary
,
I.
Fedin
,
D. V.
Talapin
, and
M.
Pelton
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1032
(
2015
).
22.
B.
Liu
,
Y.
Altintas
,
L.
Wang
,
S.
Shendre
,
M.
Sharma
,
H.
Sun
,
E.
Mutlugun
, and
H. V.
Demir
,
Adv. Mater.
32
,
1905824
(
2020
).
23.
Y.
Altintas
,
K.
Gungor
,
Y.
Gao
,
M.
Sak
,
U.
Quliyeva
,
G.
Bappi
,
E.
Mutlugun
,
E. H.
Sargent
, and
H. V.
Demir
,
ACS Nano
13
,
10662
(
2019
).
24.
F.
Shabani
,
H.
Dehghanpour Baruj
,
I.
Yurdakul
,
S.
Delikanli
,
N.
Gheshlaghi
,
F.
Isik
,
B.
Liu
,
Y.
Altıntas
,
B.
Canımkurbey
, and
H. V.
Demir
,
Small
18
,
2106115
(
2021
).
25.
Q.
Li
and
T.
Lian
,
Nano Lett.
17
,
3152
(
2017
).
26.
B. T.
Diroll
,
B.
Guzelturk
,
H.
Po
,
C.
Dabard
,
N.
Fu
,
L.
Makke
,
E.
Lhuillier
, and
S.
Ithurria
,
Chem. Rev.
123
,
3543
(
2023
).
27.
W.
Zhang
,
S.
Ding
,
W.
Zhuang
,
D.
Wu
,
P.
Liu
,
X.
Qu
,
H.
Liu
,
H.
Yang
,
Z.
Wu
,
K.
Wang
, and
X. W.
Sun
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
2005303
(
2020
).
28.
Y.
Altintas
,
B.
Liu
,
P. L.
Hernández-Martínez
,
N.
Gheshlaghi
,
F.
Shabani
,
M.
Sharma
,
L.
Wang
,
H.
Sun
,
E.
Mutlugun
, and
H. V.
Demir
,
Chem. Mater.
32
,
7874
(
2020
).
29.
R.
Zhu
,
Z.
Luo
,
H.
Chen
,
Y.
Dong
, and
S.-T.
Wu
,
Opt. Express
23
,
23680
(
2015
).
30.
M. V.
Kovalenko
,
L.
Protesescu
, and
M. I.
Bodnarchuk
,
Science
358
,
745
(
2017
).
31.
L.
Protesescu
,
S.
Yakunin
,
S.
Kumar
,
J.
Bär
,
F.
Bertolotti
,
N.
Masciocchi
,
A.
Guagliardi
,
M.
Grotevent
,
I.
Shorubalko
,
M. I.
Bodnarchuk
,
C.-J.
Shih
, and
M. V.
Kovalenko
,
ACS Nano
11
,
3119
(
2017
).
32.
S.
Das
and
A.
Samanta
,
ACS Energy Lett.
6
,
3780
(
2021
).
33.
B.
Liu
,
M.
Sharma
,
J.
Yu
,
S.
Shendre
,
C.
Hettiarachchi
,
A.
Sharma
,
A.
Yeltik
,
L.
Wang
,
H.
Sun
,
C.
Dang
, and
H. V.
Demir
,
Small
15
,
1901983
(
2019
).
34.
B.
Liu
,
H.
Gao
,
S.
Hu
, and
C.
Liu
,
Acta Phys.-Chim. Sin.
38
,
2204052
(
2022
).
35.
C.
Yin
,
Y.
Zhang
,
T.
Huang
,
Z.
Liu
,
L.
Duan
, and
D.
Zhang
,
Sci. Adv.
8
,
eabp9203
(
2022
).
36.
B.
Liu
,
M.
Sharma
,
J.
Yu
,
L.
Wang
,
S.
Shendre
,
A.
Sharma
,
M.
Izmir
,
S.
Delikanli
,
Y.
Altintas
,
C.
Dang
,
H.
Sun
, and
H. V.
Demir
,
Cell Rep. Phys. Sci.
3
,
100860
(
2022
).
37.
X. T.
Zhang
,
C. C.
Wang
,
Y.
Zhang
,
X. Y.
Zhang
,
S. X.
Wang
,
M.
Lu
,
H. N.
Cui
,
S. V.
Kershaw
,
W. W.
Yu
, and
A. L.
Rogach
,
ACS Energy Lett.
4
,
242
(
2019
).
38.
J.
Yu
,
S.
Shendre
,
W.-K.
Koh
,
B.
Liu
,
M.
Li
,
S.
Hou
,
C.
Hettiarachchi
,
S.
Delikanli
,
P.
Hernández-Martínez
,
M. D.
Birowosuto
,
H.
Wang
,
T. C.
Sum
,
H. V.
Demir
, and
C.
Dang
,
Sci. Adv.
5
,
eaav3140
(
2019
).
39.
F.
Wang
,
Y.
Wu
,
M. S.
Hybertsen
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. B
73
,
245424
(
2006
).
40.
M. I.
Dyakonov
and
V. Y.
Kachorovskii
,
Phys. Rev. B
49
,
17130
(
1994
).
41.
K.
Wu
,
L.
Hill
,
J.
Chen
,
J. R.
McBride
,
N.
Payropolous
,
N.
Richey
,
J.
Pyun
, and
T.
Lian
,
ACS Nano
9
,
4591
(
2015
).
42.
B.
Liu
,
S.
Delikanli
,
Y.
Gao
,
D.
Dede
,
K.
Gungor
, and
H. V.
Demir
,
Nano Energy
47
,
115
(
2018
).
43.
C.
Keum
,
C.
Murawski
,
E.
Archer
,
S.
Kwon
,
A.
Mischok
, and
M. C.
Gather
,
Nat. Commun.
11
,
6250
(
2020
).
44.
Q.
Su
,
H.
Zhang
, and
S.
Chen
,
npj Flexible Electron.
5
,
8
(
2021
).
45.
Y.
Shen
,
M.-N.
Li
,
Y.
Li
,
F.-M.
Xie
,
H.-Y.
Wu
,
G.-H.
Zhang
,
L.
Chen
,
S.-T.
Lee
, and
J.-X.
Tang
,
ACS Nano
14
,
6107
(
2020
).
46.
B.
Liu
,
D.
Luo
,
D.
Gao
,
X.
Wang
,
M.
Xu
,
J.
Zou
,
H.
Ning
,
L.
Wang
,
J.
Peng
, and
Y.
Cao
,
Org. Electron.
27
,
29
(
2015
).
47.
B.
Liu
,
M.
Xu
,
L.
Wang
,
H.
Tao
,
Y.
Su
,
D.
Gao
,
L.
Lan
,
J.
Zou
, and
J.
Peng
,
Nano-Micro Lett.
6
,
335
(
2014
).
48.
D.
Luo
,
Y.
Yang
,
L.
Huang
,
B.
Liu
, and
Y.
Zhao
,
Dyes Pigm.
147
,
83
(
2017
).
49.
K. H.
Park
,
K.
Jang
, and
S. U.
Son
,
Angew. Chem. Int. Ed.
45
,
4608
(
2006
).
50.
S.
Ithurria
and
B.
Dubertret
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
16504
(
2008
).
You do not currently have access to this content.