室温合成,室温表面工程,高效钙钛矿QLED

量子点自上个世纪70年代问世以来,在发光显示领域展现出独特的优点,例如光致发光量子效率高、发射光谱窄、发射光谱可调及溶液可加工等;而在新型显示领域中,这些优势赋予量子点发光二极管更精准的颜色控制、更广的色域、更纯的色彩,被认为是新一代柔性高清显示技术的有力候选者,在国际上引起了科研人员和显示行业的广泛关注。

最近,钙钛矿量子点作为其中新的“家族成员”,表现出近100%的光致发光量子产率、极窄的发光峰、可调的发光波长等特点,在未来高质量照明和高清显示中极具应用潜力。尤其是,全无机组份铯铅卤(CsPbX3)钙钛矿量子点,在实际应用中展示出更好的热稳定性和低湿度敏感性,有望成为新一代发光显示材料。短短几年时间的发展,铯铅卤该体系LED器件的效率取得了重大突破,其中绿光器件外量子效率已经达到6%-9%。但是,与传统镉基量子点发光二极管的效率(~20%)相比,还有很大的提升空间。此外,当前高效率的钙钛矿量子点通常采用热注入法制备,且需要惰性气体保护,不利于低成本的产业化应用。

因此,开发高效、低成本、能够产业化的钙钛矿量子点材料,主要面临的问题有:①如何避免采用复杂合成工艺(如高温,保护气),获得高质量发光量子点;②针对钙钛矿量子点的离子特性以及高动态的表面特征,如何开发可行的表面配体调控量子点表面态,使之同时兼具高效发光和有效电荷注入。

针对量子点显示及交叉领域关键问题,2016年工信部认定成立了新型显示材料与器件工信部重点实验室,在南京理工大学建立了新型显示光电材料研究团队与平台,其中宋继中教授课题组聚焦于量子点发光器件研究。2015年,该课题组发展了全无机钙钛矿量子点QLED发光器件体系(Adv. Mater. 2015, 27, 7162),被《Nature Nanotechnology》专题评论为“首次报道了该体系LEDs”,已获SCI引用近500次,入选ESI 1%高被引论文;2017年,提出了调控该体系量子点表面的“混合溶剂提纯法”(Adv. Mater., 2017, 29, 1603885),将器件效率50倍提升到了6.27%,已获SCI引用150次,成为ESI高被引、热点论文。

近日,在前期研究工作的基础上,南京理工大学宋继中教授和曾海波教授团队提出了钙钛矿量子点表面态的三重配体协同室温调控策略。该策略同时实现了合成成本的大幅度降低和高品质发光性能的获得,包括高荧光量子产率(> 90%)和单一辐射衰减(单指数衰减的最佳拟合优度(χ2)为0.986)。

该课题组研究人员在非极性甲苯溶液中,利用四丁基溴化铵(TOAB),双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)和辛酸(OTAc)三种配体在合成过程中的协同作用,保证了高的辐射发光和电输运特性,获得了高效的量子点发光二极管。在合成过程中,TOAB提高PbBr2的在甲苯中溶解能力和量子点墨水的稳定性;DDAB与TOAB配合,降低量子点表面缺陷,显著提升量子点的发光性能和墨水稳定性;短链的OTAc配体使组装出来的量子点薄膜具有更有效的电输送特性。这三中配体的协同作用赋予室温合成的钙钛矿发光量子点高的油墨稳定性、近完美的发光性能、有效的电荷注入与输运特性。最终,成功制备出高效的钙钛矿量子点电致发光二极管器件,EQE为11.6%,相应的内部量子效率(IQE)和功率效率分别为52.2%和44.65 lm W-1,是目前该体系量子点QLED的最高值。

由于该室温合成工艺操作简单,极易用来大规模制备,通过放大生产100倍后,材料的发光性质以及器件的性能没有明显衰减。这些结果表明,该室温表面配体工程所制得的钙钛矿量子点在未来的高清显示和高质量照明中具有极大应用潜力。相关论文以“Room‐Temperature Triple‐Ligand Surface Engineering Synergistically Boosts Ink Stability, Recombination Dynamics, and Charge Injection toward EQE‐11.6% Perovskite QLEDs”为题,在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201800764)上,其中宋继中为第一与通讯作者,曾海波为共同通讯作者。