近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授王恺课题组在蓝光钙钛矿LED领域和钙钛矿单晶薄膜生长机制方面取得研究进展，相关成果发表在学术期刊ACS Energy Letters、Nano-Micro Letters和Advanced Science上。

新型显示产业是我国为数不多的能够改变全球相关产业格局的国家战略性新兴产业之一，具有极强的产业带动力和辐射力。钙钛矿发光二极管（Perovskite Light-Emitting Diode, PeLED）是用钙钛矿材料作为发光层进行电光转换的器件。钙钛矿具有发光峰窄、色域广、波长易调、制备方法灵活兼顾低成本等特点，因此PeLED在显示领域极具应用前景，而高效率蓝光PeLED是其所面临的重要挑战之一。

具有大激子结合能、窄发射线宽的CsPbBr₃钙钛矿纳米片（NPL）是广色域显示蓝光（460-470nm）发射层极具竞争力的候选者，但其电致发光性能受限于较差的载流子传输效率。短链配体封端的NPL可以有效改善载流子注入能力。然而，配体链长的减小会使得NPL厚度精准控制充满挑战，从而难以获得所需的发射波长。研究团队提出“富铵（NH₄₊）”配体包覆策略，有效控制了晶体生长动力学并钝化表面缺陷，实现了同时具有载流子高效注入和可控发射特性的短配体（丁胺和肉豆蔻酸）封端的CsPbBr₃ NPL。同时，使用短共轭配体苯乙胺溴进行后处理钝化缺陷，进一步提高了NPL的电学性能和发光效率（薄膜光致发光量子产率超过80%）。所制备PeLED最大外量子效率为2%（λ=463 nm），为文献所报道蓝光NPL PeLED中的最高值。相关成果以“Efficient CsPbBr₃ Nanoplatelet-Based Blue Light-Emitting Diodes Enabled by Engineered Surface Ligands”为题发表在ACS Energy Letters上，并作为期刊封面进行了报道。课题组访问博士生王浩然为论文第一作者，王恺和哈工大（深圳）教授赵维巍为共同通讯作者。

图1. a）“富NH4+””配体壳层的作用机理; b）NPL的TEM和HRTEM图; c）蓝光NPL PeLED性能对比.

另一方面，钝化钙钛矿缺陷，抑制非辐射复合损失，是提高PeLED效率的重要途径。理想的钝化剂除了满足基本的缺陷钝化作用外，还应同时具备强载流子限域作用和快载流子传输性能，从而能够在降低非辐射复合的同时促进载流子传输并产生高效辐射复合。有机长碳链钝化分子由于介电常数小，其对载流子产生的强限域作用能够有效提高辐射复合效率。然而有机长链会严重阻碍载流子传输性能，而短链分子的作用恰好与此相反。鉴于此，研究团队采用有机钝化分子（TBPO）不仅提高了载流子限域作用，增加辐射复合，同时还促进了电荷传输，提高了电荷复合效率，从而兼顾了载流子限域与传输性能。最终制备的蓝光PeLED获得了高达11.5%（λ=488 nm）的外量子效率，跻身国际上蓝光PeLED最高性能之列。相关成果以“High-Performance Blue Quasi-2D Perovskite Light-Emitting Diodes via Balanced Carrier Confinement and Transfer”为题发表在Nano-Micro Letters上。课题组访问博士后任振伟为论文第一作者，王恺、南科大电子与电气工程系教授陈锐和香港大学教授Wallace C. H. Choy为共同通讯作者。

图2. a）TBPO钝化分子兼顾电荷传输与限域作用; b）蓝光PeLED外量子效率-电流密度曲线（插图：光谱色坐标，器件工作光谱保持稳定）.

钙钛矿单晶材料具有无晶界、缺陷态密度低、载流子寿命长、稳定性好等优点，被誉为极具前景的光电材料，在LED、激光、光电探测、太阳能电池等领域具有广泛的应用前景，而传输层上原位生长高质量钙钛矿单晶薄膜是其中重要的发展趋势。研究团队系统研究了在不同生长环境中钙钛矿单晶薄膜特性，结合理论分析，确定了影响钙钛矿单晶薄膜传输层原位生长的要素和最佳点，即前驱体溶液与传输层之间的低界面能、慢升温速率和适中的前驱体溶液浓度。最终制备出缺陷密度仅为2.68×10¹⁰ cm^-3、面积厚度比为创纪录的1.94×10⁴ mm（薄膜厚度为540 nm）的高质量MAPbBr₃钙钛矿单晶薄膜。得益于此，该钙钛矿单晶薄膜的载流子迁移率高达141 cm²V^-1S^-1，为文献所报道MAPbBr₃钙钛矿单晶薄膜中的最高值，并具有超过360天的长期晶体结构稳定性。同时，该工作也证实了该“最佳点”同样适用于传输层原位生长其他钙钛矿单晶薄膜，包括MAPbI₃、(PEA)₂PbI₄和(PEA)₂PbBr₄，说明该生长条件具有一定的普适性。相关成果以“In Situ Growth Mechanism for High-Quality Hybrid Perovskite Single-Crystal Thin Films with High Area to Thickness Ratio: Looking for the Sweet Spot”为题发表在Advanced Science上。王恺课题组研究助理唐晓冰（现为美国肯塔基大学博士生）和哈工大联培博士生汪召锦为论文共同第一作者，王恺、深圳技术大学助理教授（副研究员）吴丹和美国肯塔基大学教授杨福前为共同通讯作者，南科大是论文第一单位。

图3. MAPbBr₃钙钛矿单晶薄膜的原位生长机制.

上述研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省自然科学杰出青年基金、深圳市基础研究项目，以及能量转换与存储技术教育部重点实验室、粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室、广东省普通高校量子点先进显示与照明重点实验室的支持。

 

论文链接：

1.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.1c02642 

2.https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-022-00807-7 

3.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202104788 

 

 

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

主图：丘妍

编辑：朱增光