上海大学，2024年最新Nature！

基于金属卤化物钙钛矿(PeLEDs)的发光二极管(LEDs)，具有高色彩质量和易于溶液处理的优点，是全彩和高清显示的有前途的候选者。

尽管在使用溴化铅钙钛矿的绿色PeLEDs中取得了巨大的成功，但使用基于碘的同类产品实现纯红色(620-650 nm) LEDs仍然具有挑战性，因为它们受到低固有带隙的限制。

在此，来自吉林大学的王宁&英国剑桥大学的Neil C. Greenham &上海大学的杨绪勇等研究者报告了整个纯红色区域的高效和颜色稳定的PeLEDs，在638 nm处的峰值外量子效率达到28.7%，这是通过将双端锚定配体分子结合到纯碘钙钛矿中实现的。相关论文以题为“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”于2024年06月12日发表在Nature上。

金属卤化物钙钛矿，因其高颜色纯度、可调带隙和易于溶液加工而在高清显示器中获得了极大的关注。钙钛矿发光二极管(PeLEDs)的性能已经取得了快速的进展，特别是使用溴基钙钛矿的绿色发光二极管，其外部量子效率(EQEs)已接近30%。

然而，实现高效且色彩稳定的纯红色发光二极管(在620和650纳米之间)仍然是一个挑战，这是显示器中三原色之一的先决条件。溴化铅钙钛矿固有的带隙为实现饱和绿色发射提供了天然优势。相比之下，碘(I)基钙钛矿由于其窄带隙，在深红色(例如，CsPbI₃约为680 nm)甚至近红外区域发射。

钙钛矿中的Br-I混合是一种广泛使用的策略，可以将带隙调谐到纯红色发射区，但由于电偏压下的卤化物偏析，这很容易引起光谱移动。另外，降维I-基钙钛矿是混合Br-I钙钛矿的有力竞争者。胶体CsPbI₃纳米晶体已被证明可以通过量子尺寸效应实现纯红发射。

然而，除了相对复杂的合成之外，这种胶体纳米晶体具有绝缘的长链有机配体，这不仅阻碍了载流子的运输，而且还导致了不稳定性，因为它们容易从钙钛矿的软晶格表面分离。

具有量子阱结构的降维多晶钙钛矿薄膜易于成膜，具有高效的辐射复合率和在PeLEDs中长期稳定的潜力。到目前为止，为实现纯红发射，定制能量级联通道的间隔器工程已经得到了广泛的发展。

不幸的是，基于Ruddlesden-Popper钙钛矿的PeLEDs的EQE仅为12.4%，远远落后于目前的水平。同时表现出高效率和光谱稳定性的降维红色等离子体尚未被证明。

更重要的是，上述溶液处理的钙钛矿很少能在光激发下实现光谱稳定发射，在高电压偏置下更是罕见。缺乏光谱稳定的纯红色发射选择可能会限制PeLED技术的显示应用。

在这里，研究者报告了整个纯红色区域的高效和颜色稳定的PeLEDs，在638 nm处的峰值外量子效率达到28.7%，这是通过将双端锚定配体分子结合到纯碘钙钛矿中实现的。研究者证明了有机插层阳离子的一个关键功能是通过与暴露的铅离子配位和增强与碘的氢键来稳定铅碘八面体。该分子协同促进光谱调制，促进钙钛矿量子阱之间的电荷转移，并减少电偏压下的碘迁移。

研究者实现了碘基钙钛矿薄膜的连续可调谐发射波长，由于离子钙钛矿中铅碘的键能随着带隙的增加而降低，从而抑制了能量损失。重要的是，所得器件在初始亮度为100 cd m⁻²时表现出出色的光谱稳定性和超过7,600 min的半衰期。

图1 MOPA与钙钛矿的相互作用和结构。

图2 光电特性。

图3 纯红色发光二极管的器件性能。

图4 PeLEDs的稳定性分析。

综上所述，在这项工作中，研究者将具有铵基和甲氧基的双端锚定配体分子MOPA加入到降维钙钛矿中，通过加强氢键相互作用和配位铅离子来稳定无机骨架，从而抑制电场下的I -迁移和减少非辐射重组。

MOPA还诱导了强量子约束，扩大了钙钛矿带隙，并且由于甲氧基的吸电子性质，促进了电荷在范德华隙中的转移。这些改进使研究者在整个纯红色区域实现了超过20%的EQE(冠军PeLED的EQE达到28.7%)，稳定均匀的电致发光发射，并显着提高了使用寿命。

该研究结果展示了一种非常有前途的路线，用于制造具有高色彩纯度的全彩显示器的PeLEDs。这一根本性的进步也适用于各种颜色的卤化物钙钛矿半导体，为达到Rec. 2020标准铺平了道路。

【参考文献】

Kong, L., Sun, Y., Zhao, B. et al. Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07531-9

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07531-9