北京时间11月25日，国际顶刊Nature在线发表了加拿大多伦多大学Edward H. Sargent团队和华侨大学发光材料与华侨大学魏展画团队合作完成的研究论文（Distribution control enables efficient reduced-dimensional perovskite LEDs, Nature, 2021, 599, 594-598, DOI: 10.1038/s41586-021-03997-z）。该工作通过对低维钙钛矿材料进行表面钝化和阱宽调控，实现了钙钛矿发光器件性能和寿命的提升。

金属卤化物钙钛矿具有优异的光电特性，如摩尔消光系数高、载流子迁移距离长、能带隙可调、缺陷容忍度高等，在太阳能电池和发光二极管等领域有着广阔的应用前景。基于微观晶体结构的不同，金属卤化物钙钛矿可分为零维、低维和三维等。其中，低维钙钛矿材料具有量子限域效应，激子结合能较大，不易产生非辐射复合，发光效率较高。但是，要想开发应用于发光器件的高效、稳定的低维金属卤化物钙钛矿材料，仍面临两大挑战：一是缺陷态的存在，会致使形成非辐射复合中心，导致离子迁移，不利于器件的发光效率、稳定性；二是多相混合量子阱的形成，会导致在光、电激发下，能量从宽带隙量子阱向窄带隙量子阱传递，产生耗散，不利于器件的发光效率、色纯度。

图1.三种钙钛矿发光薄膜的成膜过程示意图，其中PEA表示苯乙基铵盐，TPPO表示三苯基氧化膦，TFPPO表示三（4-氟苯基）氧化膦

为了提高低维钙钛矿LED器件的性能，该研究团队提出低维金属卤化物钙钛矿的表面钝化—阱宽调控策略。如图1所示，在反溶剂引发的结晶过程中，[PbBr₆]^4？、MA⁺和Cs⁺离子先形成钙钛矿前驱体薄片，然后PEA⁺有机阳离子与前驱体薄片作用生成低维钙钛矿发光薄膜。参照组中，PEA⁺有机阳离子的无序、快速扩散导致缺陷中心和杂乱维度的量子阱结构的产生。实验组中，TPPO和TFPPO分子中的P=O键可以和钙钛矿前驱体薄片发生P=O:Pb²⁺相互作用，有效地调控结晶过程，减少了缺陷中心的产生。此外，TFPPO中丰富的F基团可以和PEA⁺有机阳离子相互作用，起到原料缓释和延缓结晶生长的作用，最终形成维度均一的高质量钙钛矿发光薄膜。

图2.(a)钙钛矿LED器件的结构示意图、截面透射电镜图和能级结构示意图；(b)三种钙钛矿LED器件对应的电流-电压曲线、亮度-电压曲线和外量子效率-亮度曲线；(c)三种钙钛矿LED器件的外量子效率统计分布图；(d)三种钙钛矿的单电子和单空穴器件的电流-电压曲线；(e)基于TFPPO处理的钙钛矿LED器件的工况寿命曲线。

如图2所示，这种薄膜具有均匀、致密的表面形貌，发光波长517 nm，发光半峰宽仅20 nm，光致发光效率接近100%。所制备的绿光LED器件外量子效率高达25.6%，在7,200 cd m^-2亮度下运行寿命达到2小时，超过目前报道的同类器件。

3年前，Nature刊登了魏展画与Edward H. Sargent联合研究团队在钙钛矿电致发光领域取得的突破成果（Nature, 2018, 562, 7726, 245-248, DOI: 10.1038/s41586-018-0575-3）。论文中，他们提出了一种全新的薄膜制备策略并优化了LED器件结构，制备出了高亮度、高量子转换效率和较好稳定性的钙钛矿LED器件。其中，该钙钛矿LED器件的外量子效率高达20.3%，刷新了世界纪录。

（摘自华侨大学）