圖.全溶液法原位構建的鈣鈦礦范德華外延異質(zhì)結材料、發(fā)光薄膜與LED器件

2月20日，國際權威學術期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表南開大學化學學院教授袁明鑒、中國科學院院士陳軍、研究員章煒領銜的科研團隊在新型鈣鈦礦超高清顯示技術領域的最新研究進展。

該研究題為“Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs”。團隊針對新型鈣鈦礦超高清顯示技術中純紅光CsPbI3鈣鈦礦量子點材料相穩(wěn)定性差這一世界難題，率先提出“外延異質(zhì)結界面應力操控”策略，首次利用全溶液法實現(xiàn)鈣鈦礦范德華外延異質(zhì)結的大面積原位可控制備，成功突破材料穩(wěn)定性與器件性能雙重瓶頸，研發(fā)出高效率與高穩(wěn)定性兼?zhèn)涞募兗t光鈣鈦礦電致發(fā)光器件 (LED)，為下一代超高清顯示技術發(fā)展提供了關鍵技術支撐，標志著在該領域的重大技術突破。

鈣鈦礦材料具有熒光量子產(chǎn)率高、色純度高、色域廣等獨特優(yōu)勢，被認為是下一代超高清顯示技術的理想材料。作為紅、綠、藍三基色之一，純紅光鈣鈦礦LED對實現(xiàn)滿足Rec. 2100超廣色域標準的下一代超高清顯示系統(tǒng)至關重要。然而，純紅光鈣鈦礦LED長期受困于材料穩(wěn)定性差的難題。

CsPbI3鈣鈦礦量子點具有尺寸依賴的可調(diào)帶隙發(fā)光，是實現(xiàn)純紅光鈣鈦礦LED的理想材料。然而，CsPbI3鈣鈦礦本征相穩(wěn)定性較差，其體相材料在室溫下就易發(fā)生相轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)化為非光學活性相。更嚴峻的是，CsPbI3鈣鈦礦量子點由于粒徑極小、表面能極大，導致其在室溫下幾乎無法穩(wěn)定存在。因此，理解亞穩(wěn)態(tài)CsPbI3鈣鈦礦量子點相轉(zhuǎn)變機制，在此基礎上發(fā)展高效相穩(wěn)定性提升新策略，進而實現(xiàn)高效與高穩(wěn)定兼?zhèn)涞募兗t光鈣鈦礦LED，是推動鈣鈦礦發(fā)光材料在超高清顯示應用的必然需求。

袁明鑒教授、陳軍院士、章煒研究員帶領的科研團隊，長期從事高性能半導體光電轉(zhuǎn)換材料及器件研究。在持續(xù)探索高效高穩(wěn)定性鈣鈦礦光電材料的過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)通過晶格應力操控實現(xiàn)鈣鈦礦局部晶格扭曲，可以顯著增強亞穩(wěn)態(tài)鈣鈦礦材料的相穩(wěn)定性。基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團隊利用配體分子結構設計調(diào)控，首次報道了一種全溶液法原位制備鈣鈦礦范德華外延異質(zhì)結以提升鈣鈦礦量子點相穩(wěn)定性的全新策略。結合球差校正透射電鏡表征與密度泛函理論研究，研究團隊首次揭示了鈣鈦礦外延異質(zhì)結構的界面應力對鈣鈦礦量子點晶格結構的調(diào)控機制。

研究表明，界面應力誘導的晶格扭曲可以有效抑制CsPbI3鈣鈦礦量子點的相轉(zhuǎn)變過程，顯著提升材料的穩(wěn)定性。所獲得的CsPbI3鈣鈦礦量子點導電薄膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和光電性質(zhì)。在此基礎上，團隊成功研發(fā)了兼具世界一流性能及穩(wěn)定性的純紅光鈣鈦礦LED，解決了長期困擾該領域的瓶頸問題。

該研究立足化學基礎學科，匯聚材料、物理、半導體器件等多學科力量，發(fā)展透射電鏡結構表征先進技術，實現(xiàn)了鈣鈦礦范德華外延異質(zhì)結的新物質(zhì)創(chuàng)造，攻克了純紅光鈣鈦礦LED核心材料穩(wěn)定性難題，有望進一步推動超高清顯示產(chǎn)業(yè)技術革新。

該工作由南開大學主導，聯(lián)合北京師范大學、香港大學、洛桑聯(lián)邦理工學院、沙特國王大學等8家國內(nèi)外機構共同完成，南開大學為該論文第一完成單位也是唯一通訊單位。

化學學院博士研究生韋科妤、周峒和特聘研究員姜源植為該論文共同第一作者。袁明鑒教授、陳軍院士、章煒研究員為該論文通訊作者。袁明鑒教授負責材料與器件的整體設計，陳軍院士主要負責分子結構設計與表征平臺建設，章煒研究員負責透射電鏡表征工作。

上述研究工作得到了國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金委創(chuàng)新群體等項目支持，依托特種化學電源全國重點實驗室、有機新物質(zhì)創(chuàng)造前沿科學中心、物創(chuàng)海河實驗室等平臺開展。

審核編輯 黃宇