科学背景
金属卤化物钙钛矿发光二极管（LED）因其高色纯度、广色域和低成本等优势，成为最具潜力获得高清显示的新兴显示技术之一。近年来，基于溴卤素体系钙钛矿（如CsPbBr3）的绿光LED在外量子效率（EQE）和稳定性方面发展迅速，然而作为显示三基色之一的纯红光钙钛矿LED（620-650 nm）的研究进展却严重滞后，极大制约了钙钛矿发光技术在全彩显示中的应用。目前，用于制备红光钙钛矿LED的核心材料碘基钙钛矿受到其固有窄带隙的限制，通常在深红甚至近红外区域产生荧光。溴-碘卤素混合策略是一种常用的增加碘基钙钛矿带隙以实现纯红色发射的方法，但LED器件工作电偏压下的卤化物偏析问题几乎不可避免，引起发光光谱移动并降低器件稳定性。因此，如何突破纯碘基卤化物钙钛矿本征窄带隙红光发射的限制，并获得高效、稳定、纯红色的碘基钙钛矿LED成为了该领域的一项关键科学挑战。
创新成果
近日，上海大学杨绪勇教授，吉林大学王宁教授，剑桥大学Neil C. Greenham教授等人提出了一种三间隔阳离子协同调控碘基钙钛矿稳定性与薄膜光电性质的策略。其中，一种具有双端配位能力的有机功能分子（3-甲氧基苯乙铵，MOPA）起到了关键的作用，其以平躺方式双端配位“锚定”了钙钛矿表面，从而有效稳定了钙钛矿无机八面体骨架，大幅提升了纯红光钙钛矿LED器件性能。在整个纯红光范围区间内器件EQE均超过20%，其中，638 nm处的EQE达到28.7%。研究表明：MOPA配体引入RP型钙钛矿中，不仅使碘基钙钛矿在620-650 nm范围内的光谱连续可调，而且同时减少了离子型钙钛矿随带隙增大产生的激子能量损失。此外，该策略也协同促进了电荷在钙钛矿量子阱间的转移，有效抑制了电偏压下的碘离子迁移。因此，所获得的红光钙钛矿LED器件显示出记录的纯红光效率、优异的光谱稳定性以及超过7,600分钟的工作寿命。该工作将加速钙钛矿发光技术在全彩显示中的商业化进程。相关研究成果以“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”为题发表在Nature期刊上。
图1 MOPA与钙钛矿的相互作用及构型。© 2024 Springer Nature
图2 钙钛矿的光电特性。© 2024 Springer Nature
图3 纯红光钙钛矿LED的器件性能。© 2024 Springer Nature
图4 钙钛矿LED器件的稳定性分析。© 2024 Springer Nature
科学启迪
作者提出了一种双端配位分子锚定钙钛矿八面体骨架的策略，成功突破了红光钙钛矿LED的性能瓶颈。MOPA配体的头端的铵基与钙钛矿能够形成氢键作用，同时尾端的甲氧基与表面未配位的铅离子形成配位，这种强相互作用使得钙钛矿带隙增大的同时显著抑制了铅碘键能减弱导致的非辐射复合及碘离子在电场作用下的迁移。在高电压驱动下，红光钙钛矿LED表现出良好的光谱稳定性，为实现稳定高效发光的钙钛矿LED提供了有效解决方案。该成果极大地推动了钙钛矿LED全彩显示技术的发展，展示了钙钛矿作为新一代显示技术实现高清显示的巨大应用潜力。
文献链接：
“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”（Nature, 2024,
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07531-9）
