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，設計開(kāi)發(fā)新型多功能分子穩定劑實(shí)現了兼具高亮度、高效率和高穩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(xiàn)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(cháng)可調、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)域展現出獨特的應用潛力。近十年來(lái)，通過(guò)不斷優(yōu)化鈣鈦礦材料和發(fā)光器件結構，例如通過(guò)向鈣鈦礦體系中引入含有特殊官能團的添加劑來(lái)調控其結晶行為和鈍化缺陷，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(guò)20%，接近商業(yè)化的有機和無(wú)機量子點(diǎn)LED。然而，目前報道的大多數高性能鈣鈦礦LED都是在較低電流密度或亮度下實(shí)現，極大地限制了鈣鈦礦LED的商業(yè)化應用。因此，發(fā)展兼具高亮度、高效率和高穩定性的鈣鈦礦LED是目前商業(yè)應用面臨的關(guān)鍵挑戰。
針對以上問(wèn)題，團隊設計開(kāi)發(fā)了一種多功能分子穩定劑2-(4-甲砜基苯基)乙胺（MSPE）用來(lái)精準調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定性（圖一）。MSPE通過(guò)氫鍵和配位鍵與鈣鈦礦中的組分相互作用，有效調控鈣鈦礦的結晶生長(cháng)過(guò)程，提高了薄膜的結晶性和晶粒的規整性（圖二），并實(shí)現對鈣鈦礦表/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(guò)氫鍵誘導形成自組裝結構，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，實(shí)現了高亮度、高效率和高穩定性的近紅外（~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(guò)10%，表現了超高的效率穩定性。在脈沖工作模式下，當電流密度高達4000mA cm?2時(shí)，此時(shí)器件的EQE仍超過(guò)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(shí)以上，是目前穩定性最好的鈣鈦礦LED器件之一，在當前EQE超過(guò)20%的近紅外鈣鈦礦中處于領(lǐng)先水平。在高亮度下，實(shí)現高效穩定的鈣鈦礦LED是邁向商業(yè)化關(guān)鍵一步，并有望在未來(lái)進(jìn)一步實(shí)現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(diǎn)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結構和性能
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(dòng)力學(xué)
圖四：鈣鈦礦/電荷傳輸層異質(zhì)結的時(shí)間分辨光譜分析
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05792-4
(化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準智能化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室、中科院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室、科研部)
