中國科大合作研究實現(xiàn)高效穩(wěn)定近紅外鈣鈦礦led

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授課題組與劍橋大學(xué)neil c. greenham教授團隊合作，設(shè)計開發(fā)新型多功能分子穩(wěn)定劑實現(xiàn)了兼具高亮度、高效率和高穩(wěn)定性的近紅外鈣鈦礦led，解決了該領(lǐng)域重要難題。相關(guān)研究成果以《bright and stable perovskite light-emitting diodes in the near-infrared range》為題，于3月15日在線發(fā)表在nature雜志上。

可溶液加工的金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其高色純度、發(fā)光波長可調(diào)、優(yōu)異的電荷傳輸特性等優(yōu)勢，在高效率、高柔性、低成本的新一代led領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力。近十年來，通過不斷優(yōu)化鈣鈦礦材料和發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，例如通過向鈣鈦礦體系中引入含有特殊官能團的添加劑來調(diào)控其結(jié)晶行為和鈍化缺陷，鈣鈦礦led的性能取得了極大的提升，其外量子效率（eqe）已超過20%，接近商業(yè)化的有機和無機量子點led。然而，目前報道的大多數(shù)高性能鈣鈦礦led都是在較低電流密度或亮度下實現(xiàn)，極大地限制了鈣鈦礦led的商業(yè)化應(yīng)用。因此，發(fā)展兼具高亮度、高效率和高穩(wěn)定性的鈣鈦礦led是目前商業(yè)應(yīng)用面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對以上問題，團隊設(shè)計開發(fā)了一種多功能分子穩(wěn)定劑2-(4-甲砜基苯基)乙胺（mspe）用來精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦材料的光電性能、晶體行為和形態(tài)學(xué)性質(zhì)，大幅提升鈣鈦礦led在高亮度下的效率和穩(wěn)定性（圖一）。mspe通過氫鍵和配位鍵與鈣鈦礦中的組分相互作用，有效調(diào)控鈣鈦礦的結(jié)晶生長過程，提高了薄膜的結(jié)晶性和晶粒的規(guī)整性（圖二），并實現(xiàn)對鈣鈦礦表/界面缺陷有效鈍化，大幅提升鈣鈦礦薄膜的發(fā)光效率和發(fā)光均一性（圖三）；另一方面，mspe分子間通過氫鍵誘導(dǎo)形成自組裝結(jié)構(gòu)，抑制了傳輸層界面低能態(tài)的形成，消除了傳輸層界面對鈣鈦礦材料發(fā)光的淬滅（圖四）。得益于mspe對鈣鈦礦和傳輸層界面的協(xié)同鈍化效應(yīng)，實現(xiàn)了高亮度、高效率和高穩(wěn)定性的近紅外（~800 nm）鈣鈦礦led。器件峰值eqe高達23.8%，并且在1000ma cm?2的電流密度下，器件的eqe仍能超過10%，表現(xiàn)了超高的效率穩(wěn)定性。在脈沖工作模式下，當(dāng)電流密度高達4000ma cm?2時，此時器件的eqe仍超過16%，并且亮度達到3,200 w s?1m?2。值得注意的是，在初始亮度為107 w s?1m?2下，器件的壽命可以達到32小時以上，是目前穩(wěn)定性最好的鈣鈦礦led器件之一，在當(dāng)前eqe超過20%的近紅外鈣鈦礦中處于領(lǐng)先水平。在高亮度下，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦led是邁向商業(yè)化關(guān)鍵一步，并有望在未來進一步實現(xiàn)鈣鈦礦電泵浦激光器展示了巨大潛力。

孫雨琦（劍橋大學(xué)博士生）、葛麗爽（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士生）為本工作并列第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)崔林松教授、劍橋大學(xué)neil c. greenham教授為該項成果的并列通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)青年創(chuàng)新重點項目、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微納研究與制造中心等支持。

圖一：鈣鈦礦led結(jié)構(gòu)和性能

圖二：鈣鈦礦薄膜以及分子間作用的表征

圖三：鈣鈦礦薄膜的載流子動力學(xué)

圖四：鈣鈦礦/電荷傳輸層異質(zhì)結(jié)的時間分辨光譜分析

論文鏈接：

(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準(zhǔn)智能化學(xué)重點實驗室、中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點實驗室、科研部)