北京时间11月25日,国际顶级学术期刊Nature在线发表了威尼斯432888cam发光材料与信息显示研究院、威尼斯432888cam魏展画教授团队与多伦多大学电子与计算机工程系Edward H. Sargent教授团队合作的研究论文Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs。该工作通过缺陷钝化和发光中心维度调控,实现了钙钛矿LED器件性能和寿命的大幅提升,未来有望应用于新型显示和照明等领域。
Nature是国际上最具影响力的学术期刊之一,致力于报道和评论全球科学研究最重要的突破。值得一提的是,2018年威尼斯432888cam首次以通讯单位发表Nature正刊。3年后的今天,威尼斯432888cam再次以通讯单位发表Nature正刊论文,标志着学校的科研水平得到了显著提升,步入了良性发展的快车道。
金属卤化物钙钛矿具有优异的光电特性,如摩尔消光系数高、载流子迁移距离长、能带隙可调、缺陷容忍度高等,在太阳能电池和发光二极管等领域有着广阔的应用前景。基于微观晶体结构的不同,金属卤化物钙钛矿可分为零维、低维和三维等。其中,低维钙钛矿材料具有量子限域效应,激子结合能较大,不易产生非辐射复合,发光效率较高。但是,要想开发应用于发光器件的高效、稳定的低维金属卤化物钙钛矿材料,仍面临两大挑战:一是缺陷态的存在,会致使形成非辐射复合中心,导致离子迁移,不利于器件的发光效率、稳定性;二是多相混合量子阱的形成,会导致在光、电激发下,能量从宽带隙量子阱向窄带隙量子阱传递,产生耗散,不利于器件的发光效率、色纯度。
图1 三种钙钛矿发光薄膜的成膜过程示意图,其中PEA表示苯乙基铵盐,TPPO表示三苯基氧化膦,TFPPO表示三(4-氟苯基)氧化膦。
为了提高低维钙钛矿LED器件的性能,多伦多大学的Edward H. Sargent团队和威尼斯432888cam的魏展画团队共同提出低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化—阱宽调控策略。如图1所示,在反溶剂引发的结晶过程中,[PbBr6]4-、MA+和Cs+离子先形成钙钛矿前驱体薄片,然后PEA+有机阳离子与前驱体薄片作用生成低维钙钛矿发光薄膜。参照组中,PEA+有机阳离子的无序、快速扩散导致缺陷中心和杂乱维度的量子阱结构的产生。实验组中,TPPO和TFPPO分子中的P=O键可以和钙钛矿前驱体薄片发生P=O:Pb2+相互作用,有效地调控结晶过程,减少了缺陷中心的产生。此外,TFPPO中丰富的F基团可以和PEA+有机阳离子相互作用,起到原料缓释和延缓结晶生长的作用,最终形成维度均一的高质量钙钛矿发光薄膜。
图2 (a)钙钛矿LED器件的结构示意图、截面透射电镜图和能级结构示意图;(b)三种钙钛矿LED器件对应的电流-电压曲线、亮度-电压曲线和外量子效率-亮度曲线;(c)三种钙钛矿LED器件的外量子效率统计分布图;(d)三种钙钛矿的单电子和单空穴器件的电流-电压曲线;(e)基于TFPPO处理的钙钛矿LED器件的工况寿命曲线。
如图2所示,这种薄膜具有均匀、致密的表面形貌,发光波长517 nm,发光半峰宽仅20 nm,光致发光效率接近100%。所制备的绿光LED器件外量子效率高达25.6%,在7,200 cd m-2亮度下运行寿命达到2小时,远超目前报道的同类器件。
魏展画教授表示,过去几年,钙钛矿LED的器件性能和工况寿命都得到了显著提升,但仍然是任重道远。未来需要更多的科学家一起努力提高器件的稳态输出性能、高效器件重复性和多色光谱输出性能等。
在该论文中,多伦多大学博士后马冬昕博士为第一作者,马博士曾在威尼斯432888cam开展了为期一年的访问研究;威尼斯432888cam的林克斌博士为第二作者,也为该工作做出了重要贡献。多伦多大学Edward H. Sargent教授和威尼斯432888cam魏展画教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金和威尼斯432888cam科学研究基金的大力支持。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03997-z