钙钛矿量子点:显示材料明日之星

半导体量子点,具有溶液法制备、容易加工、颜色可调、量子产率高等突出特点,是新一代发光材料,在发光二极管、生物标记、荧光检测等领域具有应用前景。值得关注的是,基于量子点背光源技术的液晶显示器件已经走向商业化。目前研究进展主要集中在经典的化合物半导体量子点材料上(特别是II-VI族CdSe类材料上)。由于高质量的量子点材料,一般采用厚核壳结构,制备工艺复杂,未来产业化可能面临价格、成本等挑战。寻求新型量子点替代材料是本领域的重要挑战之一。

 

acsnano有机-无机杂化钙钛矿(CH3NH3PbX3, X = Cl, Br, I)材料是一种可溶液加工的半导体材料,具有低成本、载流子迁移率高、光吸收系数大等特点,近几年来在太阳能电池领域有非常优异的表现。与此同时,钙钛矿材料具有出波长可调、发射光谱窄等发光特性,在电致发光、激光、显示等领域中也有巨大的潜力。由于存在大量的本征缺陷,有机无机杂化钙钛矿薄膜材料在低密度光激发下的荧光量子效率很低(<20%),限制了其在发光器件中的应用。最近研究表明,钙钛矿钙钛矿的尺寸减小,可以有效地降低其内部缺陷的数目,减少非辐射跃迁,有望提高其荧光效率。此外,当尺寸与其两倍的激子玻尔半径相当时,材料的激子结合能增加,可以有效提高激子的稳定性,有可能导致其辐射跃迁机制从“自由电子-孔穴复合”向“激子复合”模式转变,也成为提高发光效率的有利因素。因此,如何实现控制钙钛矿材料的尺寸和形貌成为钙钛矿材料研究领域的重要科学挑战。

最近,北京理工大学钟海政等人发展了配体辅助再沉淀技术,利用简单的溶剂共混调控沉淀过程,制备出高荧光钙钛矿量子点(ACS Nano 2015, 9 4533-4542),通过组分调控策略,发光光谱可覆盖整个可见光区(400-800 nm), 室温和低激发密度下荧光量子产率可达70%。进一步研究,通过温度依赖的荧光光谱和表面性质研究,发现量子点的高效发光主要与其激子结合能的增大和稳定的表面结构有关;在此基础上,利用所制备的量子点材料,实现了广色域白光LED器件(图3,~130%NTSC标准,重合度~96%)。

1. 经典的CdSe类量子点和钙钛矿量子点应用特性的对比和分析。

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与正在产业化过程中的CdSe类量子点相比(参见表1),钙钛矿量子点具有成本低廉、工艺简单等特点,在发光二极管、激光等领域具有优势,是一类具有成长潜力的新型量子点材料。目前课题组正在针对钙钛矿量子点在液晶显示背光源和电致LED器件应用中的关键科学问题和技术进行研究。

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