近日，中國科學技術大學崔林松教授課題組與劍橋大學Neil C. Greenham教授團隊合作，設計開發(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，解決了該領域重要難題。相關研究成果以《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、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領域展現(xiàn)出獨特的應用潛力。近十年來，通過不斷優(yōu)化鈣鈦礦材料和發(fā)光器件結構，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)應用面臨的關鍵挑戰(zhàn)。
針對以上問題，團隊設計開發(fā)了一種多功能分子穩(wěn)定劑2-(4-甲砜基苯基)乙胺（MSPE）用來精準調控鈣鈦礦材料的光電性能、晶體行為和形態(tài)學性質，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，有效調控鈣鈦礦的結晶生長過程，提高了薄膜的結晶性和晶粒的規(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，在當前EQE超過20%的近紅外鈣鈦礦中處于領先水平。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（劍橋大學博士生）、葛麗爽（中國科學技術大學碩士生）為本工作并列第一作者。中國科學技術大學崔林松教授、劍橋大學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基金、中國科學技術大學青年創(chuàng)新重點項目、合肥微尺度物質科學國家研究中心以及中國科學技術大學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力學
圖四：鈣鈦礦/電荷傳輸層異質結的時間分辨光譜分析
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05792-4
(化學與材料科學學院、精準智能化學重點實驗室、中科院軟物質化學重點實驗室、科研部)
