吉林大學王寧教授團隊與合作者在鈣鈦礦LED領域取得重大突破

北京時間2024年6月12日23時，國際學術期刊《Nature》（自然）在線刊發了吉林大學物理學院凝聚態物理系王寧教授團隊與劍橋大學卡文迪許實驗室Neil C. Greenham教授團隊、上海大學新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室楊緒勇教授團隊等人的合作研究成果：“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure” （Nature, 2024,DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07531-9）。

研究背景

由于金屬鹵化物鈣鈦礦（ABX3, X=Cl/Br/I）具有易于高通量的溶液加工、高的熒光量子產率、寬的發光色域等優點，其在未來新型顯示、照明及信息技術領域展現出巨大的商業化應用潛力。在過去十年間，可見光PeLEDs的外量子效率（external quantum efficiency, EQE）已取得飛速的發展。然而，作為顯示技術的關鍵三原色之一的純紅色PeLEDs的發展卻較為遲緩。

不同于純溴基鈣鈦礦的本征帶隙可以輕易實現高效的電致綠光發射，純碘基鈣鈦礦的本征帶隙較小，其發光光譜往往在深紅色甚至近紅外區域，使其無法滿足國際電信聯盟的最 新紅光標準（Rec.2020）。通常，在碘基鈣鈦礦中引入溴離子是調節其帶隙到純紅色發光區域的常見策略，但器件在電偏壓下的混合鹵素離子偏析往往不可避免，并導致PeLEDs嚴重的光譜偏移。具有量子尺寸效應的膠體銫鉛碘（CsPbI3）納米晶或量子點是另一種策略。然而，這種零維的膠體易受到絕緣的長鏈有機配體的困擾，這些配體不僅阻礙電荷載流子的傳輸，而且容易從鈣鈦礦的軟晶格表面脫落并影響鈣鈦礦結構的穩定性。相比之下，降低維度的多晶鈣鈦礦具有天然的量子阱結構、高的激子束縛能和高的輻射復合效率，使其成為實現高性能紅色PeLEDs的潛在方案。

關鍵的科學挑戰與創新

當前，基于Ruddlesden-Popper相鈣鈦礦的紅光PeLEDs的EQE普遍較低，關鍵原因在于溶液法制備的降低維度的多晶鈣鈦礦無法有效形成穩定的鉛碘八面體[PbI6]2-并伴隨著大量的空位缺陷，電偏壓下表現出嚴重的鹵素離子偏析，同時量子阱之間低效的能量傳遞造成大量的能量損失。因此，如何從根本上穩定純碘基鈣鈦礦的八面體結構單元，并提高量子阱之間的電荷傳輸是紅光PeLEDs領域的一項關鍵科學挑戰。

基于此，合作團隊首次揭示了一種雙端錨定純碘基鈣鈦礦八面體單元的新機制。通過采用密度泛函理論（DFT）計算，首次發現了3-甲氧基苯乙胺（3-Methoxyphenethyl-ammonium，MOPA）的雙末端基團可從根本上穩定鈣鈦礦的[PbI6]2-，并在實驗上證實了該穩定機制。研究發現，不論在鈣鈦礦的B-X表面，A-X表面亦或是鈣鈦礦間隔層內，MOPA分子都傾向于與鈣鈦礦的[PbI6]2-表面以水平的方式鏈接，通過甲氧基和胺基實現[PbI6]2-的雙端錨定。通過采用分子動力學（AIMD），研究發現這種獨特的雙端錨定可以通過甲氧基與未配位的鉛離子配位以及胺基與碘之間的氫鍵作用，有效穩定鈣鈦礦的八面體單元。此外，在電學特性方面，這種雙端錨定的協同作用促進了鈣鈦礦量子阱之間的電荷轉移，并可以進一步調節發光光譜，減少在電偏壓下的碘離子遷移。

科學發現

通過將帶有胺基和甲氧基團的雙端錨定作用的MOPA引入到降低維度的鈣鈦礦中，利用MOPA與鈣鈦礦之間的強氫鍵作用以及與鉛離子的配位來穩定鈣鈦礦的無機框架[PbI6]2-，有效抑制了電場條件下的碘遷移并減少非輻射復合。除此之外，MOPA還誘導強量子限域效應并調節純碘基鈣鈦礦的帶隙，同時，甲氧基團的吸電子特質促進了跨范德華間隙的電荷轉移。上述發現使研究團隊在整個純紅光區域（627 nm, 638 nm和645 nm）均實現了超過20% EQE的PeLEDs，峰值EQE達到了創紀錄的28.7%，并表現出穩定且均勻的電致發光特性，器件的工作半壽命超過了7600分鐘。

結論與展望

該工作首次揭示了一種從根本上穩定純碘基鈣鈦礦八面體結構單元的新機制，并論證了其在高效、穩定純紅色PeLEDs中的應用；有效解決了純碘基鈣鈦礦難以在純紅光波段實現高效電致發光的科學難題，為基于三原色的鈣鈦礦顯示技術提供了有力的一環，有望為未來的新型高清顯示及信息技術提供關鍵的技術支持。

吉林大學物理學院凝聚態物理專業博士生趙彬、吉林大學鼎新學者博士后董建超協作參與了該合作工作，通訊作者為吉林大學物理學院凝聚態物理系王寧教授、劍橋大學卡文迪許實驗室Neil C. Greenham教授及上海大學新型顯示技術及應用集成教育部重點實驗室楊緒勇教授。

該工作得到了國家自然科學基金委面上項目、國家自然科學基金委與香港研究資助局聯合重點項目、吉林省科技廳、吉林省發改委及吉林大學有組織科研專項等項目的支持。該工作也得到了吉林大學物理學院公共測試平臺、上海同步輻射光源相關線站及上海光源用戶實驗輔助系統等單位的支持。