表面态调控创造全无机钙钛矿LED发光效率最高记录

半导体照明与显示是近年来国家重点支持发展的科技领域之一,也与人们日常生活息息相关。钙钛矿作为光电领域的“明星新材料”,近年来受到了广泛的关注。该体系的量子点材料展现出超高的光致发光效率(>90%)、窄发光半高宽(<30 nm)以及可低成本溶液加工等特性,使得钙钛矿材料成为在发光领域极具竞争力的半导体材料之一,展现出良好的应用前景。

相对于有机无机杂化钙钛矿材料,无机钙钛矿表现出更高的热稳定性,有益于发光器件的实际应用。然而较低的电致发光性能又大大限制了无机钙钛矿材料在发光器件中的应用,急需探索有效提高其发光效率的相关理论和技术。从传统量子点发展历程中,我们不难发现量子点的表面配体(例如配体种类,含量等)是影响量子点LED(QLED)性能的主要因素之一。考虑到高度动态的钙钛矿量子点表面以及复杂的配体体系,通过配体交换来提升其器件性能依然任重而道远。此外,实现高效钙钛矿QLED面临的另一个重大挑战之一是如何有效纯化钙钛矿量子点。一方面,足量的表面配体提高量子点在溶剂中的分散性,防止颗粒团聚,同时充分钝化量子点表面,减少表面缺陷,保障量子点的高荧光量子产率以及溶液稳定性;但另一方面,这些表面配体又会一定程度上阻碍所制得器件电荷注入,特别是过量的配体,将严重影响发光器件性能的提升。在传统的镉基量子点LED中,配体纯化已经被普遍运用,但是晶体的离子特性使得无机钙钛矿极易受到清洗溶剂的极性影响,难以进行有效的量子点产物提纯,尤其表面配体含量调控。

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针对上面问题,新型显示材料与器件工信部重点实验室曾海波团队在首创(“first”引自Nature Nanotech. 2015, 10, 1001的评述)了全无机钙钛矿三基色发光二极管(Adv. Mater. 2015, 27, 7162)的基础上,提出了该体系量子点表面配体调控的“混合溶剂提纯法”,实现了量子点墨水高稳定性、量子点膜高均匀性、高光致发光效率、有效电荷注入等四个要素的共存,从而创造了这一新半导体体系LED发光效率的最高记录。

南京理工大学博士生李建海等在对比了多种溶剂的极性和实验结果的基础上,最终确定选用己烷和乙酸乙酯混合溶剂进行量子点提纯;通过核磁共振谱(NMR)、光电子能谱(XPS)及红外光谱(FT-IR)等多种手段表征,证实量子点经过两次混合溶剂提纯之后表面配体密度显著降低,但又能保证量子点表面的充分钝化,荧光量子产率保持在80%以上;在未进行有效调控的LED器件中,最高发光效率仅为0.12%,亮度为946 cd/m2,而“混合溶剂提纯法”大幅度地提高了发光器件电荷注入效率,成功制备出目前报道的CsPbBr3-QLED最高外量子效率,达到6.27%的当前记录,比前期提高了近50倍,亮度也超过15000 cd/m2,提高了一个数量级,大大提升了基于无机钙钛矿发光器件的性能。

该表面态调控方法一定程度上解决了无机钙钛矿量子点提纯难题,有助于推动无机钙钛矿在实际发光器件,尤其是柔性高清显示器中的应用。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603885)上,其中宋继中、曾海波教授为共同通讯作者。

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