南开大学，Nature！--研究进展

研究进展

研究进展

南开大学，Nature！

发稿人：

来源：功能材料与能源化学创新团队

时间：2025-02-20

第一作者：Keyu Wei、Tong Zhou、Yuanzhi Jiang

通讯作者：Mingjian Yuan、Jun Chen、Wei Zhang

通讯单位：南开大学

论文doi：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08503-9

研究背景

钙钛矿发光二极管（PeLEDs）因其高色纯度、宽色域和低成本制造潜力，被视为下一代显示技术的核心候选材料。尽管绿光和红外光PeLEDs的器件效率已突破20%，但纯红光（波长<640 nm）PeLEDs的性能仍面临两大挑战：

相稳定性差：超小CsPbI₃量子点（QDs）在固态薄膜中易从光活性黑色相（α-CsPbI₃）转变为非活性黄色相（δ-CsPbI₃），导致器件失效。
效率与光谱稳定性不足：传统卤素混合策略虽能调节发光波长，但存在严重的电致发光光谱偏移问题。

本文通过创新性的异质外延结构设计，结合八面体倾斜调控，成功解决了上述问题，实现了高效、窄谱、长寿命的纯红光PeLEDs。

本文亮点

1.本工作通过配体调控，原位合成CsPbI₃QDs与准二维钙钛矿（quasi-2D perovskite）的异质外延界面，形成紧密的范德华接触（van der Waals heteroepitaxy）。异质界面处的周期性边缘配体排列诱导了显著的八面体倾斜（octahedral tilting），提升α-CsPbI₃与δ-CsPbI₃之间的吉布斯自由能差，从而稳定量子点相。

2.本工作通过八面体倾斜调控增强热力学稳定性。本工作通过原子级高角度环形暗场成像（HAADF）和应变分析，证实异质界面处的晶格应变（1.3%-1.9%）导致Cs离子位移（最高达1.64 Å），进而触发八面体倾斜（最高3.6°）。

3.本工作得到了高效稳定的纯红光PeLED性能。认证外量子效率（EQE）达24.6%，最大亮度11,689 cd/m²，半衰期（T50）长达6,330分钟（约105小时），是目前报道的最高效稳定纯红光PeLED之一。

4.本工作制备的大面积器件（1 cm²）EQE仍保持20.5%，并展示出均匀发光特性，验证了工艺的可扩展性。

图文解析

图1. CsPbI₃QD单边缘接触异质外延（se-epitaxy）合成与表征

要点：

1、结构设计如图1a所示。通过Br-DMA⁺与PEA⁺配体共修饰，在衬底上原位合成CsPbI₃ QD与准二维钙钛矿的异质外延结构。准二维钙钛矿（n=2）的无机骨架与QDs的立方相（α-CsPbI₃）匹配，形成单边缘接触界面。

2、图1c展示了光物理性能提升。异质外延薄膜的PLQY较原始QDs薄膜提升两倍（如640 nm波长处从30%增至60%）。瞬态吸收光谱（图1d）显示准二维钙钛矿向QDs的级联能量转移，验证了异质结构的协同效应。

3、原子级结构解析（图1g-j）表明，HAADF成像显示QDs表面为γ-CsPbI₃正交相，体相为α-CsPbI₃立方相，界面处存在1.3 nm的配体间隙。快速傅里叶变换（FFT）证实界面处[110]γ-CsPbI3与[001]准二维钙钛矿的晶格匹配，支撑外延生长机制。

图2. 双边缘接触异质外延（de-epitaxy）的优化与性能

要点：

1、图2a-b显示了配体工程增强界面作用。将PEA⁺替换为Br-PEA⁺，通过Br-DMA⁺与Br-PEA⁺的卤键相互作用，减少界面间隙至1.2 nm，提升异质界面结合能（-0.76 eV）。

2、薄膜发光波长可调至600 nm（蓝移40 nm），PLQY在低激发功率下仍达70%，表明超小QDs的稳定化（图2d）。

3、三明治结构解析如图2g-n所示。HAADF显示QDs被准二维钙钛矿双面包夹，界面处八面体倾斜更显著（3.6°）。低剂量HRTEM（图2k-m）揭示周期性“之”字形配体排列，与模拟结果一致，证实界面紧密有序。

图3. 八面体倾斜的量化与热力学机制

要点：

1、接下来本工作进行了Cs位移与应变分析（图3a-f）。原始QDs中Cs位移均匀（~0 Å），而se-epitaxy和de-epitaxy分别在单侧和双侧界面处出现位移（最高1.64 Å），对应晶格应变1.3%-1.9%。

2、八面体倾斜角度分布如图3d-f所示。倾斜角度从界面到体相逐渐衰减，de-epitaxy双侧倾斜形成对称梯度，有效分散应变能。

3、图3g-h给出了吉布斯自由能计算。倾斜角度每增加1°，ΔG（Gtilted - Gδ）提升约50 kJ/mol，使δ相转变热力学不利，相稳定性显著增强。

图4. 纯红光PeLED器件性能与稳定性

要点：

1、器件结构与效率如图4a-d所示。器件结构为ITO/PEDOT:PSS:PFI /PPN-Br/钙钛矿/TPBi/LiF/Al，最优EQE达25.6%，认证效率24.6%。大面积器件（1 cm²）效率20.5%，展示工艺兼容性（图4h-i）。

2、电压从3.0 V增至6.0 V，电致发光峰位（630 nm）和半峰宽（30 nm）无偏移，满足显示应用需求，证明了光谱稳定性（图4e-f）。

3、本工作进行了长寿命验证（图4g）。初始亮度100 cd/m²下，T50达6,330分钟，较文献报道提升近10倍，归因于异质外延对QDs的深度稳定化

来源：研之成理公众号

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