研究背景
随着光电子器件技术的迅速发展，钙钛矿发光二极管（PeLEDs）因其出色的色彩纯度和从蓝色到近红外的广泛可调发射波长，成为了下一代高色域显示和成本效益照明的重要选择。特别是蓝色PeLEDs，以其理想的色域覆盖和大面积应用前景，吸引了广泛关注。然而，与绿色和红色PeLEDs相比，蓝色PeLEDs的性能仍远远滞后。当前，蓝色PeLEDs的最大外量子效率（EQE）为21%（在483 nm时），但在470 nm或更短的峰值波长下，该效率通常下降到约10%，远低于绿色和红色PeLEDs的水平。这一问题的根源在于钙钛矿材料的氯（Cl）掺入和钙钛矿材料的结构稳定性。钙钛矿中溴（Br）和氯（Cl）的混合被广泛应用于带隙工程，以实现可调的蓝色发射。然而，随着发射峰向深蓝色的移动，Cl与Br的比例增加，导致Cl掺入的比例显著提高，这可能对材料的结构稳定性产生负面影响，导致卤素分离，并通过深能级缺陷影响辐射复合效率。此外，高Cl掺入还可能降低CsPb(Brx/Cl1−x)3的价带最大值，相较于CsPbBr3产生更深的能带变化，这对PeLEDs的性能产生了额外挑战。为了应对这些问题，科学家们尝试了不同的策略，包括优化前体合成工艺、调整封端配体以及优化晶体取向。然而，这些方法仍然无法有效解决Cl缺陷对蓝色PeLEDs性能的显著影响。最近，研究者们引入了一种新策略，即在钙钛矿晶格的A位进行铷（Rb）补偿，以减少Cl含量并抑制非辐射缺陷的形成。这一策略在一定程度上提高了蓝色PeLEDs的光致发光量子效率（PL QY），并在发射峰范围内实现了创纪录的高效率。 为了解决这些问题，浙江大学叶志镇院士、戴兴良，狄大卫等人在“Sci. Adv.”期刊上发表了题为“Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects”的最新论文。本研究通过构建一系列CsPb(Brx/Cl1−x)3纳米晶体，全面研究了Cl含量对蓝色PeLEDs性能的影响。研究表明，Cl含量对PL QY具有极高的敏感性，这与深层陷阱态的形成密切相关。通过在A位引入Rb进行氯补偿，减少了Cl含量，同时保持了所需的发射波长，显著提高了PL QY。这一研究解决了蓝色PeLEDs在氯缺陷方面的关键问题，并通过提高发射峰在460至480 nm范围内的EQE，推动了高效蓝色PeLEDs的发展。
科学亮点
1. 实验首次系统研究了氯（Cl）含量对蓝色钙钛矿发光二极管（PeLEDs）性能的影响，构建了一系列CsPb(Brx/Cl1−x)3纳米晶体。这一研究揭示了Cl相关的非辐射缺陷对蓝色PeLEDs性能的关键作用，即使氯含量略有增加，也会显著降低外量子效率（EQE）。通过调节Cl含量，本文取得了在不同发射波长下的高效蓝色PeLEDs，尤其是在发射峰位为460至480 nm的范围内。 2. 实验通过在钙钛矿晶格的A位引入铷（Rb）进行Cl含量的微调，成功抑制了非辐射缺陷的形成，从而显著提高了光致发光量子效率（PL QY）。这一策略使得蓝色PeLEDs在发射峰位为460 nm、465 nm、470 nm、475 nm和480 nm的波长范围内，分别实现了12.0%、16.7%、21.3%、24.3%和26.4%的创纪录EQE。研究结果表明，通过控制Cl缺陷，可以实现高效蓝色PeLEDs的关键设计原则，为未来高色域显示器件的发展提供了新的思路。3. 通过使用超薄单层纳米晶体和预合成的方法，本文克服了蓝色PeLEDs中由于卤素分离引起的光谱不稳定性，并提供了更深层次的光电特性控制。这一方法不仅提高了发光效率，还扩展了钙钛矿发光体的应用范围，为大面积、高性能光电器件的制造奠定了基础。
图文解读
科学启迪
本文研究揭示了氯（Cl）含量对蓝色钙钛矿发光二极管（PeLEDs）性能的深远影响，为未来高效蓝色PeLEDs的设计和优化提供了重要意义。研究表明，氯掺入会引发深能级缺陷，显著降低发光效率，即使在氯含量仅有微量增加的情况下，也会导致外量子效率（EQE）的显著下降。这一发现突出了非辐射复合损失在PeLEDs性能中的重要性，同时也表明了控制氯含量对于提升蓝色PeLEDs性能的关键作用。进一步地，通过采用铷（Rb）补偿策略，在钙钛矿晶格的A位引入Rb能够有效地减少Cl含量，抑制非辐射缺陷的形成，并显著提高光致发光量子效率（PL QY）。这一策略不仅改善了发光性能，还保持了显示应用所需的发射波长稳定性，创造性地解决了氯引发的性能问题。这一策略的成功实施为蓝色PeLEDs的设计提供了一条新的思路。此外，本文的研究方法展示了预合成纳米晶体和调节钙钛矿晶体结构的有效性，表明通过精确调控材料的成分和结构，可以实现对光电性能的深入优化。未来的研究可以在此基础上进一步探索前体合成工艺、封端配体和晶体取向的优化，以减少氯相关缺陷，推动高效蓝色PeLEDs的发展。这为光电器件领域提供了新的设计原则和优化方向，具有广泛的应用潜力。Yun Gao et al. ,Highly efficient blue light-emitting diodes based on mixed-halide perovskites with reduced chlorine defects.Sci. Adv.10,eado5645(2024).DOI:10.1126/sciadv.ado5645
