陈军院士领衔！南开大学，2025年首篇Nature！

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超小的 CsPbI ₃ 钙钛矿量子点（ QDs ）是实现高效、稳定的纯红钙钛矿发光二极管（ PeLEDs ）的最有希望的候选材料。

然而，对于超小的 CsPbI ₃ 量子点来说，在组装成导电薄膜时保持其溶液相性质是一项挑战，因此，极大地阻碍了其器件应用。

在此，来自 南开大学&天津市海河可持续化学转化实验室 的 章炜、袁明鉴 以及 陈军 院士 等研究者在此报告了一种通过 构建 CsPbI ₃ 量子点 / 准二维（准 2D ）钙钛矿异质外延 的方法，用于 原位沉积稳定的超小 CsPbI ₃ 量子点导电固体 。 相关论文以题为“ Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs ”于2025年02月19日发表在 Nature 上。

钙钛矿发光二极管（ PeLEDs ）已成为下一代超高清显示技术的有力候选者。绿色和红外发光 PeLEDs 已取得巨大进展，其外部量子效率（ EQE ）超过 20% 。

然而，目前报告的纯红色 PeLEDs （ <640 nm ）及其色彩稳定性仍不理想。开发高效且稳定的窄谱纯红色 PeLEDs ，尤其是其电致发光峰值位于 630 nm ，以扩展色域，仍然是一个显著挑战。

目前，纯红色钙钛矿发光材料可以通过卤化物混合策略方便地实现。然而，所得到的混合卤化物 PeLEDs 在工作过程中会经历严重的电致发光光谱漂移。

因此， CsPbI ₃ 量子点（ QDs ）表现出尺寸依赖的光学特性，并被认为是纯红色 PeLEDs 的有力候选者。

然而， CsPbI ₃ 量子点的相稳定性较差，会自发发生从黑色光活性相到黄色光不活性 δ -CsPbI ₃ 相的相变。为稳定超小 CsPbI ₃ 量子点，通常会向其表面引入过量的长链烷基配体，通过降低表面能来抑制相变。

然而，这些绝缘性配体会阻碍电荷传输，在组装成半导体固体时需要去除。配体在配体交换过程中容易丧失，导致量子点的聚集和降解。

因此，超小 CsPbI ₃ 量子点至今未能实现高效的纯红色 PeLEDs 。为了解决这个问题，需要开发一种与器件制造兼容的新方法。

金属卤化物钙钛矿的软晶格结构使得八面体倾斜成为可能，这种无机八面体的刚性旋转显著影响了钙钛矿的光电性能和相稳定性。理论研究表明，控制八面体倾斜度可以调节钙钛矿相变的能垒。

此外，近期研究表明，大角度八面体倾斜有效地稳定了亚稳态多晶 α -FAPbI ₃ 薄膜。相应的大角度倾斜是由阳离子 - 阳离子相互作用引起的。

尽管如此，目前有效地在钙钛矿中诱导大角度八面体倾斜的策略仍较为稀缺。

最近，研究者注意到在外延界面上积累的外延应变是创造显著八面体倾斜的一个潜在强有力工具。例如，三维（ 3D ）钙钛矿单晶外延界面的外延应变被用来稳定单晶 α -FAPbI ₃ 。

在此，研究者提出通过利用 外延应变触发超小 CsPbI ₃ 量子点中显著的八面体倾斜 ，以 抑制不希望出现的相变 。

然而，构建具有显著外延应变的外延结构在纳米尺度钙钛矿中仍未被探索。

除了广为人知的 3D/3D 钙钛矿相干外延外，研究者注意到具有不同维度的钙钛矿共享相似的无机框架，这使得混合维度钙钛矿异质外延变得可行。

近期报道表明，二维（ 2D ）钙钛矿能够通过配体辅助焊接工艺形成大尺寸的 2D/3D 钙钛矿异质外延。

然而，二维钙钛矿存在较慢的电荷传输，导致 2D/3D 异质外延在光电应用中不兼容。

与二维钙钛矿不同，准二维（ quasi-2D ）钙钛矿表现出良好的电荷传输性能，使其适用于器件应用。这为研究者提供了一个多功能平台来构建纳米尺度的钙钛矿异质外延，尤其是在 CsPbI ₃ 量子点光电子学方面。

本文旨在通过利用由此产生的八面体倾斜，稳定超小 CsPbI ₃ 量子点固体，构建纳米尺度的 CsPbI ₃ 量子点 / 准二维钙钛矿异质外延（见图 1a ）。

在异质界面处，边缘取向配体的周期性有序排列引发了 CsPbI ₃ 量子点在临界层厚度内的八面体倾斜，这增大了倾斜的 CsPbI ₃ 量子点与 δ -CsPbI ₃ 量子点之间的吉布斯自由能差，导致了 CsPbI ₃ 量子点的热力学稳定。

该方法使研究者能够制备稳定的 CsPbI ₃ QD 导电薄膜，其发射可调谐覆盖了从 600 nm 到 710 nm 的整个红色光谱区域。

研究者报道了在 630 nm 中心有窄电致发光峰的纯红色光场，与超高清显示的 Rec. 2100 标准匹配。冠军器件的外部量子效率为 24.6% ，半衰期为 6,330 分钟，是迄今为止报道的最高效、最稳定的纯红色器件之一。

该方法还与大面积制造兼容，使 1 cm ² 的 PeLED 在 630 nm 时表现出最佳的外部量子效率 20.5% 。

图 1 CsPbI ₃ 量子点的选择性外延生长合成方法。

图 2 去外延薄膜中的准 2D/CsPbI ₃ QD/ 准 2D 钙钛矿异质外延。

图 3 八面体扭转。

图 4 基于 CsPbI ₃ QD 去外延薄膜的纯红色 PeLED 性能和工作稳定性。

参考文献

Wei, K., Zhou, T., Jiang, Y. et al. Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08503-9

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08503-9