南开大学陈军院士今日Nature

【导读】

发光二极管（LED）不仅可作为白炽灯泡的节能替代品，还可以在显示技术中提供高色彩饱和度和亮度。研究表明，外部量子效率超过20%的钙钛矿发光二极管（PeLED）已在绿色和红色波长下实现，然而蓝光PeLED的性能远远落后。同时，将半导体晶体的尺寸减小到几纳米会产生表面缺陷，其表面的化学键断裂是罪魁祸首。因此，需要复杂的合成策略来通过固定（钝化）表面键来消除缺陷。这些策略包括用有机配体分子覆盖量子点，有机配体分子与其无机表面结合，或用一层不同的无机半导体覆盖量子点。卤化铅钙钛矿的电子结构使得这些材料中的光子发射比III-V族半导体对晶体和表面缺陷的存在更具弹性，并且可能允许在不需要严格的表面钝化方法的情况下制造量子点器件，但蓝光LED的制造一直具有挑战性。这是因为超小的量子限制钙钛矿量子点不够稳定，无法承受用于将它们从溶液中沉积形成固体并在其表面交换配体的复杂程序，这是能够有效地将电荷载流子注入器件中的量子点所必需的。虽然合成超小CsPbBr₃量子点的单分散群具有挑战性，并且在浇铸成固体薄膜时难以保持其溶液相特性，但仍然是实现高效和稳定的蓝光PeLED的候选对象。

【成果掠影】

今日，南开大学陈军院士和袁明鉴研究员，联合加拿大多伦多大学Edward H.Sargent教授等人（共同通讯作者）报道了直接在衬底上合成适当耦合、单分散、超小钙钛矿量子点薄膜。具体来说，本文开发了一种配体结构，可以在基于薄膜的合成过程中控制量子点的大小、单分散性和耦合。配体上的头部（具有较高静电势的一侧）提供空间位阻，抑制层状钙钛矿的形成。尾部（静电势较低的一侧）使用卤化物取代进行修饰以增加表面结合亲和力，将所得晶粒限制在量子约束范围内的尺寸。该方法实现了较高的单分散性（半最大=为23 nm，发射中心为478 nm），并具有强耦合。因此，本文报道的蓝色PeLEDs，在480 nm处的外部量子效率为18%，在465 nm处为10%，这也是钙钛矿蓝色LEDs中报道的1.5倍和2倍。

相关研究成果以“Synthesis-on-substrate of quantum dot solids”为题发表在Nature上。

【核心创新点】

1.报告了一种可以直接在器件的衬底上形成量子限制的蓝色发射量子点，从而避免了沉积和配体交换的需要。同时，方法非常容易实施，钙钛矿的化学前驱体简单地与衬底表面上的配体混合，直接产生一层所需的量子点；

2.钙钛矿量子点LED的稳定性尚不能与使用III-V族半导体量子点的同等器件竞争，但基于本文的研究，卤化铅钙钛矿的化学性质得到更好的理解和控制，可能存在改进的空间，为制造由强耦合量子点组成的固体提供机会。

【数据概览】

图一、钙钛矿量子点半导体固体。

图二、量子点薄膜中SoS的形成。

图三、量子点薄膜SoS的光学和电学性能。

图四、PeLED性能和运行稳定性。

【成果启示】

总而言之，作者的方法提供了高发射、颜色纯的量子点固体，满足了节能蓝光钙钛矿LED的严格要求。事实上，作者使用他们的方法制造了超过先前报道的钙钛矿器件的最佳载流子到光子转换效率的LED，最高可达两倍。本文通过施加恒定电流并监测亮度的演变来评估器件的使用寿命，电致发光波长和FWHM在恒定驱动电流下保持恒定超过5小时。

文献链接：“Synthesis-on-substrate of quantum dot solids”（Nature，2022，10.1038/s41586-022-05486-3）

本文由材料人CYM编译供稿。