科學(xué)背景
金屬鹵化物鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）因其高色純度、廣色域和低成本等優(yōu)勢(shì)，成為最具潛力獲得高清顯示的新興顯示技術(shù)之一。近年來(lái)，基于溴鹵素體系鈣鈦礦（如CsPbBr3）的綠光LED在外量子效率（EQE）和穩(wěn)定性方面發(fā)展迅速，然而作為顯示三基色之一的純紅光鈣鈦礦LED（620-650 nm）的研究進(jìn)展卻嚴(yán)重滯后，極大制約了鈣鈦礦發(fā)光技術(shù)在全彩顯示中的應(yīng)用。目前，用于制備紅光鈣鈦礦LED的核心材料碘基鈣鈦礦受到其固有窄帶隙的限制，通常在深紅甚至近紅外區(qū)域產(chǎn)生熒光。溴-碘鹵素混合策略是一種常用的增加碘基鈣鈦礦帶隙以實(shí)現(xiàn)純紅色發(fā)射的方法，但LED器件工作電偏壓下的鹵化物偏析問(wèn)題幾乎不可避免，引起發(fā)光光譜移動(dòng)并降低器件穩(wěn)定性。因此，如何突破純碘基鹵化物鈣鈦礦本征窄帶隙紅光發(fā)射的限制，并獲得高效、穩(wěn)定、純紅色的碘基鈣鈦礦LED成為了該領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。
創(chuàng)新成果
近日，上海大學(xué)楊緒勇教授，吉林大學(xué)王寧教授，劍橋大學(xué)Neil C. Greenham教授等人提出了一種三間隔陽(yáng)離子協(xié)同調(diào)控碘基鈣鈦礦穩(wěn)定性與薄膜光電性質(zhì)的策略。其中，一種具有雙端配位能力的有機(jī)功能分子（3-甲氧基苯乙銨，MOPA）起到了關(guān)鍵的作用，其以平躺方式雙端配位“錨定”了鈣鈦礦表面，從而有效穩(wěn)定了鈣鈦礦無(wú)機(jī)八面體骨架，大幅提升了純紅光鈣鈦礦LED器件性能。在整個(gè)純紅光范圍區(qū)間內(nèi)器件EQE均超過(guò)20%，其中，638 nm處的EQE達(dá)到28.7%。研究表明：MOPA配體引入RP型鈣鈦礦中，不僅使碘基鈣鈦礦在620-650 nm范圍內(nèi)的光譜連續(xù)可調(diào)，而且同時(shí)減少了離子型鈣鈦礦隨帶隙增大產(chǎn)生的激子能量損失。此外，該策略也協(xié)同促進(jìn)了電荷在鈣鈦礦量子阱間的轉(zhuǎn)移，有效抑制了電偏壓下的碘離子遷移。因此，所獲得的紅光鈣鈦礦LED器件顯示出記錄的純紅光效率、優(yōu)異的光譜穩(wěn)定性以及超過(guò)7,600分鐘的工作壽命。該工作將加速鈣鈦礦發(fā)光技術(shù)在全彩顯示中的商業(yè)化進(jìn)程。相關(guān)研究成果以“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”為題發(fā)表在Nature期刊上。
圖1 MOPA與鈣鈦礦的相互作用及構(gòu)型。? 2024 Springer Nature
圖2 鈣鈦礦的光電特性。? 2024 Springer Nature
圖3 純紅光鈣鈦礦LED的器件性能。? 2024 Springer Nature
圖4 鈣鈦礦LED器件的穩(wěn)定性分析。? 2024 Springer Nature
科學(xué)啟迪
作者提出了一種雙端配位分子錨定鈣鈦礦八面體骨架的策略，成功突破了紅光鈣鈦礦LED的性能瓶頸。MOPA配體的頭端的銨基與鈣鈦礦能夠形成氫鍵作用，同時(shí)尾端的甲氧基與表面未配位的鉛離子形成配位，這種強(qiáng)相互作用使得鈣鈦礦帶隙增大的同時(shí)顯著抑制了鉛碘鍵能減弱導(dǎo)致的非輻射復(fù)合及碘離子在電場(chǎng)作用下的遷移。在高電壓驅(qū)動(dòng)下，紅光鈣鈦礦LED表現(xiàn)出良好的光譜穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效發(fā)光的鈣鈦礦LED提供了有效解決方案。該成果極大地推動(dòng)了鈣鈦礦LED全彩顯示技術(shù)的發(fā)展，展示了鈣鈦礦作為新一代顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)高清顯示的巨大應(yīng)用潛力。
文獻(xiàn)鏈接：
“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”（Nature, 2024,
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07531-9）
