新突破!上海交大利用钙钛矿量子点制备高效热稳LED

近日,上海交通大学环境科学与工程学院李良教授课题组与合作团队在Nature Photonics期刊在线发表了题为“Suppression of temperature quenching in perovskite nanocrystals for efficient and thermally stable light-emitting diodes”的研究论文。该工作中,李良教授团队报道了一种通过氟离子表面钝化实现钙钛矿纳米晶在室温到100℃范围荧光近乎零“热淬灭”的策略,所制备的LED电致发光器件也具有优异的抗“热淬灭”性能。

李良团队近年致力于解决限制荧光半导体纳米晶(量子点)应用的“稳定性”瓶颈问题,在实现量子点稳定性提升及LED等应用推动方面取得一系列创新研究成果。钙钛矿量子点作为一种新型显示材料,具备优异的发光效率和色纯度,而且材料本身制备简单、成本低、易放大生产,成为照明显示领域基础和应用研究炙手可热的明星材料。

然而钙钛矿量子点离子晶体的本征稳定性差对其应用提出了巨大的挑战。针对这一问题,李良团队先后提出二氧化硅“无水包覆”(J. Am. Chem. Soc. 2016, 138),硅铝氧化物复合包覆(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56)和MOF封装(Nat. Commun. 2017, 8)等一系列提高钙钛矿量子点稳定性的包覆技术。

2020年,团队巧妙利用多孔模板高温崩塌实现原位致密封装获得稳定性媲美陶瓷荧光粉的钙钛矿量子点,使钙钛矿量子点在LED芯片直接“on chip”封装应用成为可能,同时有利于传统的量子点背光膜摆脱对阻隔膜的依赖(Nat. Commun. 2020, 11, 31),引起了产业界的广泛关注。

近年来,量子点LED电致发光器件作为下一代照明显示器件,成为科研及工业界的宠儿。钙钛矿量子点电致发光LED的效率和稳定性是决定其实现规模化商业应用的关键因素。当前,钙钛矿量子点的稳定性研究主要集中在水、氧或者光照等三个因素对其晶体结构以及发光效率的影响。然而,量子点在环境温度升高的情况下同样面临发光强度变弱的问题,即所谓的荧光“热淬灭”,这对实际应用产生非常不利的影响。

例如,量子点LED电视点亮时内部结构温度升高,如果量子点发生“热淬灭”,将导致电视屏幕色彩偏移、亮度减弱,严重影响用户体验。究其原因,是因为量子点晶体结构中热激活的缺陷活化能较低,当环境温度升高时,大量产生此类缺陷,从而捕获光生激子导致电子-空穴非辐射复合几率增大,最终致使量子点发光效率锐减以及发射波长偏移。在实际应用中LED电致发光器件在电场作用下因产生焦耳热其结点温度可达到85℃甚至更高, 因此拥有较好的抗热淬灭性能是钙钛矿电致发光LED实际应用的必要条件。

有鉴于此,李良教授团队采用表面钝化策略,利用有机氟离子后处理钙钛矿量子点,首次实现环境温度处于100℃范围内量子点荧光性能近乎零淬灭。同时,以此量子点为发光层所制备的LED电致发光器件获得室温下19.34%的外量子效率,器件原位变温测试显示70℃环境温度范围内仍保持高于初始的80%的外量子效率,而无氟处理的样品则衰减至初始的10%。

该研究表明氟离子的引入仅存在于量子点表面且形成Type-I结构,不仅钝化量子点表面缺陷,提高了量子点的荧光量子效率,为获得高性能器件提供可能;同时还极大提高热激活的缺陷活化能,降低激子被热活化缺陷捕获的概率,提高钙钛矿量子点荧光抗“热淬灭”性能,最终增强LED电致发光器件抗热性,拓宽了其未来商业化应用场景。

钙钛矿量子点钝化前后
(a)电致发光器件结构,(b)荧光热淬灭实物图,
(c)荧光量子效率及寿命,(d) 能带排布,
(e) 局域态密度变化,(f)原子结构模拟

环境科学与工程学院刘明明博士、万群博士,机械与动力工程学院汪华苗副教授为论文共同第一作者,意大利米兰-比科卡大学Brovelli Sergio教授与李良教授为共同通讯作者。(来源:上海交通大学)

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