厦门大学陈忠&林岳AM：应用于Micro-LED的双组分结构高亮度钙钛矿量子点

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

钙钛矿量子点因其在发光效率、色纯度、亮度、波长可调节等方面的诸多优势，正逐步取代传统的稀土荧光粉，在mini-及micro-LED显示领域具有极高的应用潜力，使用钙钛矿量子点制备色转换层已经引起了学术界和产业界的广泛关注。

然而，钙钛矿量子点的短板也很明显，尤其是红色发光的钙钛矿量子点，稳定性较之绿光钙钛矿量子点更差，且亮度也更弱。在量子点作为色转换材料时，一般使用蓝光LED作为激发光源。而红色钙钛矿量子点作为半导体材料，由于其带隙较绿光钙钛矿量子点更小，采用蓝光或近紫外光激发时，激发光光子能量高出红光带隙较多，形成了大量高能热载流子并激活了潜在的浅能级缺陷，在随后的热载流子弛豫过程中，大量载流子被浅能级缺陷俘获进入非辐射复合通道，导致发光效率降低。实验表明，红色钙钛矿量子点在被绿光激发时才能表现出最亮的发光和最高的量子产率。目前，研究者主要是对钙钛矿量子点进行离子掺杂、表面配体修饰、缺陷钝化等方法来提高红色量子点的稳定性和发光效率。

针对现存问题，厦门大学半导体照明实验室团队首次提出了一种全新的策略，利用红色发光钙钛矿量子点（γ-CsPbI₃）包覆绿色钙钛矿量子点（CsPbBr₃），形成核壳结构，在两种量子点之间设计一层无定形二氧化硅阻止两种量子点间的离子迁移，在最外层包覆一层无定形二氧化硅以提高稳定性。两种量子点之间满足能量转移的条件，γ-CsPbI₃将CsPbBr₃的发光完全吸收，最终的双组分多重核壳结构钙钛矿量子点只表现出γ-CsPbI₃的发射波长，亮度得到增强，且不发生波长移动。

图1. 研究团队提出的双组分多重包覆结构钙钛矿量子点结构及非辐射能量传递机理示意图。

由于CsPbBr₃向γ-CsPbI₃传递能量，因此γ-CsPbI₃会表现出CsPbBr₃的激发特性，可以调节该结构的最佳激发波长。该工作中，红色发光的双组分钙钛矿量子点最佳激发波长逐渐被调节至蓝光区域，在蓝光激发下，光致发光强度可以提升3倍以上，且蓝光激发量子产率接近100%，稳定性也得到了显著提升。

图2. 在不改变光致发光波长的情况下，红色量子的发光强度显著提高，且由于非辐射能量传递的作用，最佳激发波长被调节至蓝光区域，量子产率也提升至接近100%。量子点的稳定性也得到了明显提升。

通过适当选择内核和外壳的量子点组分，该策略可以应用于全光谱量子点的合成；也可以适用于多种合成路线，如低温热注入、高温固相法等。

在将红光量子点最佳激发波长调节至蓝光区域后，研究人员将该双组分量子点应用于蓝光Micro-LED色转换层中。借助玻璃微孔阵列作为载体，沉积出的量子点阵列与Micro-LED阵列相对应，实现了良好的色转换性能。

图3. 利用玻璃微孔阵列，双组分钙钛矿量子点应用于蓝光Micro-LED色转换层中。

这一成果发表在Advanced Materials 上。厦门大学半导体照明实验室的陈忠教授与林岳副教授为共同通讯作者，博士研究生范小通与王树立助理教授为共同第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Brightened Bicomponent Perovskite Nano-Composite Based on Förster Resonance Energy Transfer for Micro-LED Displays

Xiaotong Fan, Shuli Wang, Xiao Yang, Chenming Zhong, Guolong Chen, Changzhi Yu, Yihang Chen, Tingzhu Wu, Hao-Chung Kuo, Yue Lin, Zhong Chen

Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202300834

研究团队简介

第一作者：范小通，厦门大学电子科学与技术学院博士生 （https://orcid.org/0000-0001-8617-8528  ）。

第一作者：王树立，博士，助理教授，厦门大学电子科学系、半导体照明与显示实验室。担任Chinese Chemical Letters和Engineering Reports期刊青年编委。主要从事微流控系统中的界面设计及其Micro-LED全彩显示器件设计应用研究，以第一（含共同）或通讯作者在Advanced Materials, Accounts of Materials Research, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Chinese Chemical Letters，Lab on a Chip等上发表论文，申请中国发明专利10余项。

通讯作者：林岳，博士，副教授，厦门大学电子科学系、半导体照明与显示实验室。2007年东南大学应用物理专业获得学士学位，2012年厦门大学获得无线电物理博士学位。2013-2014年于中国科学院福建物质结构研究所工作，2015年入职厦门大学。主要研究方向为Micro-LED全彩化技术，GaN材料与器件，钙钛矿量子点与单晶材料等。以第一或通讯作者发表Advanced Materials, Advanced Optical Materials, Small, Journal of Materials Chemistry C, Photonics Research，Applied Physics Letters 等文章三十余篇。担任Angewandte Chemie International Edition等期刊的审稿专家。

https://www.x-mol.com/university/faculty/64000 

通讯作者：陈忠，博士，厦门大学电子科学与技术学院院长，闽江学者特聘教授，主要研究方向LED照明与显示、生物医学电子学、磁共振与医学成像、信号和图像处理。福建省半导体照明工程技术研究中心主任，福建省半导体照明与显示行业开发基地主任、中国波谱学专业委员会副主任委员（2004至今) ，中国物理学会理事（2007至今)，福建省等离子和磁共振研究重点实验室主任。

科研思路分析

Q：这项研究最初的想法是怎么产生的？

A：在研究Micro-LED全彩显示技术时，我们发现量子点色转换技术非常具有研究价值和应用前景，该技术也可以规避巨量转移技术高昂的实现成本。钙钛矿量子点得益于其纳米尺寸以及超高的光效，非常适合用作Micro-LED的色转换材料，但是红色钙钛矿量子点的色转换效果一直不甚理想，其稳定性差是一个公认的短板，另外，红色钙钛矿量子点在蓝光激发下的亮度较弱，很难与绿光匹配。幸运的是，我们注意到非辐射能量传递机制在光电材料器件应用中广泛发挥的作用，并且这一机制也可以有效地调节发光体的激发谱特性，这对我们的工作有了很大启发。因此，在这项工作中，尝试借助非辐射能量传递机制，我们成功地改变了红色钙钛矿量子点的最佳激发波长，这一思路也可以在不同组分的钙钛矿量子点以及多种合成路径中得到验证。

Q：研究中遇到过哪些难点和挑战？

A：最初的最大挑战莫过于怎么在钙钛矿量子点中引入非辐射能量传递过程。经过不断地的摸索尝试，最终确定了一些至关重要的条件，如采用异种形核方式制备包覆结构、设计中间层防止量子点间的离子迁移，在这个环节，团队成员在材料、化学方面的知识背景和经验积累发挥了重要作用。

在按照设计条件合成之后，我们虽然能通过光学表征观察到非辐射能量传递过程，但很难利用电镜真实表征出双组分包覆结构，这也是一大挑战。这里也非常感谢吉林大学的张晓宇老师，提供了莫大支持，帮助我们清晰地表征出了双组分包覆结构，并且也排除了Pb颗粒的干扰，提供了该结构更有说服力的证据。目前对双组分结构的研究还有很多方面待挖掘，我们也希望未来有更多的研究者一起合作，做出更深层次的研究成果。

Q：未来还会有哪些进一步的研究？

A：我们团队致力于Micro-LED全彩显示技术的研究，这一研究成果最终也会落实到相关的器件研究中。目前对双组分钙钛矿的性能提升和应用探索还处于起步阶段，接下来也会对材料及器件稳定性、工艺优化等方面继续研究。我们相信这一技术能够帮助突破当前Micro-LED色转换技术瓶颈，以更低成本实现高质量Micro-LED全彩显示效果，推动我国Micro-LED全彩显示技术的产业化发展。