近日，我室樊逢(feng)佳和化學院(yuan)姚(yao)宏斌(bin)、林(lin)岳、胡(hu)偉四個(ge)課題組(zu)通力(li)合作，在純紅鈣鈦礦發光二極管（LED）領域(yu)取得重要(yao)進展。團隊(dui)自主發(fa)明了電激發(fa)瞬(shun)態光譜技術(shu)（EETA），并用(yong)該技(ji)術揭示出空穴泄漏是(shi)導(dao)致純(chun)紅三維鈣(gai)鈦礦(kuang)LED效率滾降的關鍵因素，并開發(fa)出新型三維鈣鈦礦異質結發(fa)光層降低空穴泄漏（圖1），成功制(zhi)備(bei)出高性能純紅鈣(gai)鈦礦LED。北京時間5月(yue)7日，相(xiang)關(guan)研究(jiu)成果以“Intragrain 3D perovskite heterostructure for high-performance pure-red PeLEDs”為題，發(fa)表在Nature期刊上，標志著(zhu)純紅鈣鈦礦(kuang)LED技術(shu)取(qu)得重要進展。
圖1 鈣鈦(tai)礦三維異(yi)質結限抑制LED中(zhong)空穴泄露
當前，已報道的高性能純紅鈣鈦礦LED（外量子效(xiao)率超20%）主要使用準二維和小尺寸量子點(dian)鈣(gai)鈦礦，然而受限于其低(di)載流子遷移(yi)率，亮度難以提升。三維混合鹵化(hua)物鈣(gai)鈦礦（例(li)如(ru)CsPbI3-xBrx）有高載流子遷移(yi)率，但(dan)是目前使用CsPbI3-xBrx三(san)維鈣鈦礦LED效率在亮度升(sheng)高時下(xia)降嚴重，由于缺乏LED原(yuan)位表征(zheng)設備，背后機理不明。
針(zhen)對此問題，團隊成員利用自主發(fa)明的電激發(fa)瞬態光譜技術(shu)（EETA）給CsPbI3-xBrx基LED“拍片子”，發現空穴泄(xie)漏到電(dian)子傳輸層是(shi)三維(wei)CsPbI3-xBrx基LED的性(xing)能瓶頸。EETA結果指(zhi)出更(geng)好地限(xian)域空(kong)穴、抑制其泄漏是實(shi)現高(gao)性(xing)能CsPbI3-xBrx基純紅LED的(de)(de)關(guan)鍵。為了提(ti)升鈣鈦(tai)礦的(de)(de)載流子(zi)限域能力，團(tuan)隊成員提(ti)出一(yi)種(zhong)全(quan)新的(de)(de)三維鈣鈦(tai)礦異質(zhi)結設(she)計，該異質(zhi)結材(cai)料內部存在窄帶隙發(fa)光體(ti)和限域載流子(zi)的(de)(de)寬帶隙能壘。其中寬帶隙材(cai)料是通過(guo)在部分(fen)CsPbI3-xBrx晶(jing)格中，插入與(yu)鉛鹵(lu)骨(gu)架作用力強、空間位(wei)阻低的有(you)機(ji)分子(zi)，引發晶(jing)格膨脹相(xiang)而實現的（圖 2a，b）。通過(guo)(guo)系統的(de)理論計算與(yu)(yu)分(fen)子設計，成功開發出該有機分(fen)子，該分(fen)子不僅能夠(gou)通過(guo)(guo)羧基、氨基和(he)磺酰基等多功能基團與(yu)(yu)鉛(qian)鹵骨架(jia)形成穩定(ding)結(jie)合，還能通過(guo)(guo)晶(jing)格(ge)膨脹實現(xian)寬帶隙相的(de)精準引(yin)入（圖 2c）。通過此方(fang)法(fa)，團隊得到(dao)含有異(yi)質(zhi)結構且三維骨架連續的(de)材料，在實(shi)現載流子限域(yu)的(de)同時(shi)，保持高遷移率(lv)。相關材料結構被高分(fen)辨透(tou)射電鏡充分(fen)驗證（圖2d-i）。
圖2 三維CsPbI3-xBrx鈣鈦礦異質結的設(she)計與材料表征
通過(guo)構建三維CsPbI3-xBrx異(yi)質結發光層，純紅鈣鈦礦(kuang)LED器件的空穴泄(xie)漏(lou)得(de)到(dao)了有效抑制 （圖3a,b）。相應器件的峰值外量子效率（EQE）達到24.2%，最大亮(liang)度為24,600 cd m-2 (圖3c,d)。并(bing)且器件展(zhan)現出非常低的(de)效率滾(gun)降—亮度為22,670 cd m-2時，器件依然(ran)具有超過10%的EQE，這優于以(yi)往報道的結果（圖3e）。該(gai)工作的研究(jiu)結果展現(xian)出三維鈣鈦礦異質(zhi)結材料在發展高效、明亮且穩定鈣鈦礦LED的巨大潛力(li)。
圖3 三維異質結CsPbI3-xBrx 基純紅LED的(de)性能
宋永慧(hui)（博(bo)士）、李(li)波（博(bo)士后(hou)）、王子健(jian)（博(bo)士研(yan)究生(sheng)）和臺曉琳（博(bo)士研(yan)究生(sheng)）為本文(wen)的共同(tong)第一作(zuo)者(zhe)，188bet足球姚宏斌教授(shou)(shou)、樊逢(feng)佳教授(shou)(shou)、林岳教授(shou)(shou)和胡偉教授(shou)(shou)為本論文(wen)的共同(tong)通訊作(zuo)者(zhe)，EETA技術的(de)發(fa)展得(de)到了杜江峰院士的(de)大力支持(chi)。本工作得到國家自然(ran)科(ke)(ke)學基金(jin)委、科(ke)(ke)技(ji)部(bu)等基金(jin)支持。理化(hua)科(ke)(ke)學實驗中心為本課(ke)題的開展提供了SEM、PL、UV-vis、球差(cha)電鏡等表(biao)征設(she)備的支持。
論文鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-025-08867-6
