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  • 中国科大在纯红钙钛矿发光二极管领域取得重要进展

    作者:佚名 来源:中国科学技术大学 时间:2025-05-08 08:46 阅读:53 [投稿]
    在纯红钙钛矿发光二极管领域取得重要进展。团队自主发明了电激发瞬态光谱技术,并用该技术揭示出空穴泄漏是导致纯红三维钙钛矿LED效率滚降的关键因素,并开发出新型三维钙钛矿异质结发光层降低空穴泄漏,成功制备出高性能纯红钙钛矿LED。

    近日,中国科学技术大学姚宏斌、樊逢佳、林岳、胡伟四个课题组通力合作,在纯红钙钛矿发光二极管(LED)领域取得重要进展。团队自主发明了电激发瞬态光谱(EETA)技术,并用该技术揭示出空穴泄漏是导致纯红三维钙钛矿LED效率滚降的关键因素,并开发出新型三维钙钛矿异质结发光层降低空穴泄漏(图1),成功制备出高性能纯红钙钛矿LED。相关研究成果发表在Nature期刊上,标志着纯红钙钛矿LED技术取得重要进展。


    图1.钙钛矿三维异质结限抑制LED中空穴泄漏

    当前,已报道的高性能纯红钙钛矿LED(外量子效率超20%)主要使用准二维和小尺寸量子点钙钛矿,然而受限于其低载流子迁移率,亮度难以提升。三维混合卤化物钙钛矿(例如CsPbI3-xBrx)有高载流子迁移率,但是目前使用CsPbI3-xBrx三维钙钛矿LED效率在亮度升高时下降严重,由于缺乏LED原位表征设备,背后机理不明。

    针对此问题,团队成员利用自主发明的EETA技术给CsPbI3-xBrx基LED“拍片子”,发现空穴泄漏到电子传输层是三维CsPbI3-xBrx基LED的性能瓶颈。EETA结果指出更好地限域空穴、抑制其泄漏是实现高性能CsPbI3-xBrx基纯红LED的关键。为了提升钙钛矿的载流子限域能力,团队提出一种全新的三维钙钛矿异质结设计,该异质结材料内部存在窄带隙发光体和限域载流子的宽带隙能垒。其中宽带隙材料是通过在部分CsPbI3-xBrx晶格中插入与铅卤骨架作用力强、空间位阻低的有机分子,从而引发部分晶格膨胀而实现的(图2a,b)。通过系统的理论计算与分子设计,成功开发出通过羧基、氨基和磺酰基等多功能基团与铅卤骨架形成稳定结合的有机分子,并实现宽带隙相的精准引入(图2c)。通过此方法,团队得到含有异质结构且三维骨架连续的钙钛矿材料,在实现载流子限域的同时保持高迁移率。所获得的三维钙钛矿异质结构被高分辨透射电镜充分验证(图2d-i)。


    图2.三维CsPbI3-xBrx钙钛矿异质结的设计与材料表征

    通过构建三维CsPbI3-xBrx异质结发光层,纯红钙钛矿LED器件的空穴泄漏得到了有效抑制 (图3a,b)。相应器件的峰值外量子效率(EQE)达到24.2%,最大亮度为24,600 cd m-2(图3c,d)。并且器件展现出非常低的效率滚降——亮度为22,670 cd m-2时,器件依然具有超过10%的EQE,这优于以往报道的结果(图3e)。该工作的研究结果展现出三维钙钛矿异质结材料设计在发展高效、明亮且稳定钙钛矿LED方面的巨大潜力。


    图3.三维异质结CsPbI3-xBrx基纯红LED的性能

    中国科学技术大学宋永慧(博士)、李波(博士后)、王子健(博士研究生)和台晓琳(博士研究生)为本文的共同第一作者,中国科学技术大学姚宏斌教授、樊逢佳教授、林岳教授和胡伟教授为本论文的共同通讯作者,EETA技术的发展得到了杜江峰院士的大力支持。本工作得到国家自然科学基金委、科技部等基金支持。理化科学实验中心为本课题的开展提供了SEM、PL、UV-vis、球差电镜等表征设备的支持。

    论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-025-08867-6

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