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高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-03 20:19

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在深蓝光钙钛矿LED领域取得重要进展

北京时间2025年2月3日，国际学术期刊《Nature Nanotechnology》在线刊发了吉林大学物理学院凝聚态物理系王宁教授团队与吉林大学材料科学与工程学院张立军教授团队、河北工业大学张紫辉教授团队、复旦大学杨迎国教授团队及上海大学杨绪勇教授团队在深蓝光钙钛矿LED领域的合作研究成果：“Multivalent-effect immobilization of reduced-dimensional perovskites for efficient and spectrally stable deep-blue light-emitting diodes” （Nature Nanotechnology, 2025, DOI: 10.1038/s41565-024-01852-6）。该研究提出并发展了一种基于多价效应的稳定深蓝光钙钛矿晶体结构的策略，实现了高效、稳定的深蓝光钙钛矿LED。

金属卤化物钙钛矿LED具有高的发光色纯度、宽的发光色域及低的制造成本等优点，其在新型显示、照明和信息技术领域已展现出巨大的应用前景。近年来，基于钙钛矿的绿光、红光、近红外LED均已实现超过20%的外量子效率（external quantum efficiency, EQE）。由于蓝光，特别是深蓝光具有更大的本征禁带宽度，其EQE的进展较为缓慢。按照国际电信联盟的蓝光标准（Rec.2020），深蓝光的CIEy通常小于0.06，且其发光波长往往小于460 nm。深蓝光不仅是实现下一代高清显示、固态照明的重要一环，也是未来高速无线通讯与存储技术的重要手段。

通过钙钛矿的表面缺陷钝化、单价铵离子键合、组分及形貌工程等方法，可实现有效的蓝光钙钛矿LED（发光波长为475-490 nm）。然而，深蓝光钙钛矿面临的科学挑战比纯蓝光及天蓝光钙钛矿更为严峻和复杂，除了蓝光钙钛矿中普遍存在的卤素离子迁移和相偏析等问题，深蓝光钙钛矿更宽的本征带隙、不稳定的晶体结构和较差的电学性能，使得实现高效、稳定的深蓝光钙钛矿LED成为领域内一项关键的科学挑战。

鉴于此，王宁教授团队提出了一种多价效应策略，大幅稳定了低维深蓝光钙钛矿晶体结构，实现了高效及光谱稳定的深蓝光钙钛矿LED。通过系统的实验验证并辅以第一性原理计算，研究团队揭示了多功能共轭有机分子与钙钛矿之间的多价效应的科学机制：即氢键（F···H-N）、离子键（F-Pb）和配位键（C=O:Pb ）。分子动力学模拟和原位掠入射广角X射线散射证实了多价效应不仅能将有机配体固定在钙钛矿表面，还能稳定钙钛矿的八面体结构（图1）。

借助于该效应，其显著改善了钙钛矿晶体生长的优先取向，提高了深蓝光钙钛矿的激子束缚能。通过对铅离子的双重锚定，深蓝光钙钛矿中的缺陷态密度大幅降低，并有效抑制了其内部的离子迁移。对于深蓝光钙钛矿LED，多价效应优化了钙钛矿的能带分布，将有源区内的激子浓度和激子复合速率分别提高了1.66倍和1.64倍（图2）。最终，研究团队成功实现了电致发光波长为459 nm的高效深蓝光钙钛矿LED，其EQE达到了15.36%，器件的运行半寿命为144分钟。此外，在恒定电流下运行60分钟后，器件仍能稳定维持CIE色度坐标为（0.136, 0.051）的电致发光（图3）。

该工作报道的多价效应固定策略有效解决了深蓝光钙钛矿LED面临的光谱偏移且外量子效率低的科学难题，为未来实现基于钙钛矿的高清全彩显示及白光照明技术提供了一种重要的科学借鉴。

该论文第一完成单位为吉林大学物理学院，第一作者为吉林大学鼎新学者博士后董建超，通讯作者为吉林大学物理学院王宁教授；上海大学杨绪勇教授为论文的共同通讯作者。

该工作得到了国家自然科学基金委面上项目、国家自然科学基金委与香港研究资助局联合重点项目、吉林省科技厅、吉林省发改委及吉林大学有组织科研专项等项目的支持。该工作也得到了吉林大学物理学院公共测试平台、上海同步辐射光源相关线站及上海光源用户实验辅助系统等单位的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01852-6

来源：吉林大学

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