近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授王愷課題組在藍(lán)光鈣鈦礦LED領(lǐng)域和鈣鈦礦單晶薄膜生長機(jī)制方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊ACS Energy Letters、Nano-Micro Letters和Advanced Science上。
新型顯示產(chǎn)業(yè)是我國為數(shù)不多的能夠改變?nèi)蛳嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)格局的國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，具有極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)力和輻射力。鈣鈦礦發(fā)光二極管（Perovskite Light-Emitting Diode, PeLED）是用鈣鈦礦材料作為發(fā)光層進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換的器件。鈣鈦礦具有發(fā)光峰窄、色域廣、波長易調(diào)、制備方法靈活兼顧低成本等特點(diǎn)，因此PeLED在顯示領(lǐng)域極具應(yīng)用前景，而高效率藍(lán)光PeLED是其所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。
具有大激子結(jié)合能、窄發(fā)射線寬的CsPbBr3鈣鈦礦納米片（NPL）是廣色域顯示藍(lán)光（460-470nm）發(fā)射層極具競爭力的候選者，但其電致發(fā)光性能受限于較差的載流子傳輸效率。短鏈配體封端的NPL可以有效改善載流子注入能力。然而，配體鏈長的減小會使得NPL厚度精準(zhǔn)控制充滿挑戰(zhàn)，從而難以獲得所需的發(fā)射波長。
研究團(tuán)隊(duì)提出”富銨（NH4+）”配體包覆策略，有效控制了晶體生長動(dòng)力學(xué)并鈍化表面缺陷，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有載流子高效注入和可控發(fā)射特性的短配體（丁胺和肉豆蔻酸）封端的CsPbBr3 NPL。
同時(shí)，使用短共軛配體苯乙胺溴進(jìn)行后處理鈍化缺陷，進(jìn)一步提高了NPL的電學(xué)性能和發(fā)光效率（薄膜光致發(fā)光量子產(chǎn)率超過80%）。所制備PeLED最大外量子效率為2%（λ=463nm），為文獻(xiàn)所報(bào)道藍(lán)光NPL PeLED中的最高值。
相關(guān)成果以”Efficient CsPbBr3 Nanoplatelet-Based Blue Light-Emitting Diodes Enabled by Engineered Surface Ligands”為題發(fā)表在ACS Energy Letters上，并作為期刊封面進(jìn)行了報(bào)道。課題組訪問博士生王浩然為論文第一作者，王愷和哈工大（深圳）教授趙維巍為共同通訊作者。
a）”富NH4+””配體殼層的作用機(jī)理; b）NPL的TEM和HRTEM圖; c）藍(lán)光NPL PeLED性能對比
另一方面，鈍化鈣鈦礦缺陷，抑制非輻射復(fù)合損失，是提高PeLED效率的重要途徑。理想的鈍化劑除了滿足基本的缺陷鈍化作用外，還應(yīng)同時(shí)具備強(qiáng)載流子限域作用和快載流子傳輸性能，從而能夠在降低非輻射復(fù)合的同時(shí)促進(jìn)載流子傳輸并產(chǎn)生高效輻射復(fù)合。有機(jī)長碳鏈鈍化分子由于介電常數(shù)小，其對載流子產(chǎn)生的強(qiáng)限域作用能夠有效提高輻射復(fù)合效率。然而有機(jī)長鏈會嚴(yán)重阻礙載流子傳輸性能，而短鏈分子的作用恰好與此相反。
鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)采用有機(jī)鈍化分子（TBPO）不僅提高了載流子限域作用，增加輻射復(fù)合，同時(shí)還促進(jìn)了電荷傳輸，提高了電荷復(fù)合效率，從而兼顧了載流子限域與傳輸性能。最終制備的藍(lán)光PeLED獲得了高達(dá)11.5%（λ=488 nm）的外量子效率，躋身國際上藍(lán)光PeLED最高性能之列。
相關(guān)成果以”High-Performance Blue Quasi-2D Perovskite Light-Emitting Diodes via Balanced Carrier Confinement and Transfer”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters上。課題組訪問博士后任振偉為論文第一作者，王愷、南科大電子與電氣工程系教授陳銳和香港大學(xué)教授Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。
a）TBPO鈍化分子兼顧電荷傳輸與限域作用; b）藍(lán)光PeLED外量子效率-電流密度曲線
（插圖：光譜色坐標(biāo)，器件工作光譜保持穩(wěn)定）
鈣鈦礦單晶材料具有無晶界、缺陷態(tài)密度低、載流子壽命長、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為極具前景的光電材料，在LED、激光、光電探測、太陽能電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而傳輸層上原位生長高質(zhì)量鈣鈦礦單晶薄膜是其中重要的發(fā)展趨勢。
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了在不同生長環(huán)境中鈣鈦礦單晶薄膜特性，結(jié)合理論分析，確定了影響鈣鈦礦單晶薄膜傳輸層原位生長的要素和最佳點(diǎn)，即前驅(qū)體溶液與傳輸層之間的低界面能、慢升溫速率和適中的前驅(qū)體溶液濃度。最終制備出缺陷密度僅為2.68×1010cm-3、面積厚度比為創(chuàng)紀(jì)錄的1.94×104mm（薄膜厚度為540nm）的高質(zhì)量MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜。
得益于此，該鈣鈦礦單晶薄膜的載流子遷移率高達(dá)141cm2V-1S-1，為文獻(xiàn)所報(bào)道MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜中的最高值，并具有超過360天的長期晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，該工作也證實(shí)了該”最佳點(diǎn)”同樣適用于傳輸層原位生長其他鈣鈦礦單晶薄膜，包括MAPbI3、(PEA)2PbI4和(PEA)2PbBr4，說明該生長條件具有一定的普適性。
相關(guān)成果以”In Situ Growth Mechanism for High-Quality Hybrid Perovskite Single-Crystal Thin Films with High Area to Thickness Ratio: Looking for the Sweet Spot”為題發(fā)表在Advanced Science上。
王愷課題組研究助理唐曉冰（現(xiàn)為美國肯塔基大學(xué)博士生）和哈工大聯(lián)培博士生汪召錦為論文共同第一作者，王愷、深圳技術(shù)大學(xué)助理教授（副研究員）吳丹和美國肯塔基大學(xué)教授楊福前為共同通訊作者，南科大是論文第一單位。
MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜的原位生長機(jī)制
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)杰出青年基金、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，以及能量轉(zhuǎn)換與存儲技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、粵港澳光熱電能源材料與器件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、廣東省普通高校量子點(diǎn)先進(jìn)顯示與照明重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。（來源：南方科技大學(xué)電子與電氣工程系）
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