中國(guó)科大合作研究實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定近紅外鈣鈦礦LED

近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)開發(fā)新型多功能分子穩(wěn)定劑實(shí)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(zhǎng)可調(diào)、優(yōu)異的電荷傳輸特性等優(yōu)勢(shì)，在高效率、高柔性、低成本的新一代LED領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)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(jié)構(gòu)，例如通過(guò)向鈣鈦礦體系中引入含有特殊官能團(tuán)的添加劑來(lái)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(guò)20%，接近商業(yè)化的有機(jī)和無(wú)機(jī)量子點(diǎn)LED。然而，目前報(bào)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(shí)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(duì)以上問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(lái)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(guò)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(zhǎng)過(guò)程，提高了薄膜的結(jié)晶性和晶粒的規(guī)整性（圖二），并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(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(duì)鈣鈦礦材料發(fā)光的淬滅（圖四）。得益于MSPE對(duì)鈣鈦礦和傳輸層界面的協(xié)同鈍化效應(yīng)，實(shí)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(dá)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(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(dá)4000mA cm?2時(shí)，此時(shí)器件的EQE仍超過(guò)16%，并且亮度達(dá)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(dá)到32小時(shí)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(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(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(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦電泵浦激光器展示了巨大潛力。

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(dòng)力學(xué)

圖四：鈣鈦礦/電荷傳輸層異質(zhì)結(jié)的時(shí)間分辨光譜分析