量子點(diǎn)自20世紀(jì)80年代被發(fā)現(xiàn)以來，已廣泛應(yīng)用于顯示等多個(gè)領(lǐng)域。北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院王立剛特聘研究員/助理教授課題組、材料科學(xué)與工程學(xué)院周歡萍教授課題組、化學(xué)與分子工程學(xué)院嚴(yán)純?nèi)A院士/孫聆東教授課題組與劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室Richard Friend院士/爵士課題組合作，實(shí)現(xiàn)了不同原子層數(shù)量子點(diǎn)的高效發(fā)光二極管（LED）。該LED的電致發(fā)光峰值在607~728nm范圍內(nèi)可控調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)了26.8%的外量子效率（EQE）。這一成果對(duì)高清顯示領(lǐng)域具有重要意義，并已于2025年2月14日發(fā)表于國(guó)際知名期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances），題為“Efficient perovskite LEDs with tailored atomic layer number emission at fixed wavelengths”(DOI: 10.1126/sciadv.adp9595)。
2023年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了3位發(fā)明膠體量子點(diǎn)的科學(xué)家。量子點(diǎn)的寬廣色域、窄發(fā)射峰以及高外量子效率（EQE）是下一代高清顯示技術(shù)的核心要求。傳統(tǒng)的量子點(diǎn)顏色調(diào)控主要通過控制量子點(diǎn)的尺寸來實(shí)現(xiàn)，但量子點(diǎn)的尺寸易受到前驅(qū)體組成、反應(yīng)溫度/時(shí)間、配體類型/比例等合成條件的影響，導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)的重復(fù)性不佳。鉛鹵鈣鈦礦量子點(diǎn)LED因其超高的效率、可溶液制備以及覆蓋從藍(lán)光到紅外的發(fā)光波長(zhǎng)等特點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，在前期鈣鈦礦LED研究中，通常使用混合鹵素調(diào)整帶隙來調(diào)節(jié)發(fā)光波長(zhǎng)，但在光激發(fā)或電致發(fā)光條件下，混合鹵化物鈣鈦礦材料容易出現(xiàn)組分偏析，導(dǎo)致發(fā)光顏色不穩(wěn)定。此外，能量漏斗效應(yīng)的存在使得在多n值（多帶隙）鈣鈦礦體系中，發(fā)光往往出現(xiàn)在小帶隙、長(zhǎng)波長(zhǎng)的大n值相中。Förster共振能量轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是造成這一效應(yīng)的兩種可能機(jī)制，但在光致發(fā)光和電致發(fā)光中，能量漏斗效應(yīng)的確切機(jī)制以及兩者之間的差異仍不完全明確。
不同原子層數(shù)MAPbI3鈣鈦礦量子點(diǎn)LEDs
為解決這些挑戰(zhàn)，王立剛等人首次提出了一種基于量子點(diǎn)原子層數(shù)來控制其LED電致發(fā)光波長(zhǎng)的新方案。該方案依托新發(fā)展的一種納米材料合成方法——“快速蒸發(fā)的極性溶劑輔助的鈣鈦礦量子點(diǎn)合成法（FEPS）”。該方法通過將鈣鈦礦A位陽(yáng)離子前驅(qū)體的極性溶劑（水、醇）溶液注入鹵化鉛的溶液中，利用真空閃蒸法快速除去極性溶劑，從而獲得高質(zhì)量的鈣鈦礦量子點(diǎn)。通過使用不同的極性溶劑和后處理方法可得到不同原子層數(shù)的鈣鈦礦量子點(diǎn)溶液，進(jìn)而制備出不同發(fā)射波長(zhǎng)的LED。
基于此合成方法，研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制鈣鈦礦LED電致發(fā)光（EL）從3、4、5、7層原子鈣鈦礦量子點(diǎn)的發(fā)射，分別獲得了主發(fā)射峰為607、638、669、728nm的LED，用于滿足不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三基色紅光波長(zhǎng)的要求。更重要的是，由于該LED的發(fā)光波長(zhǎng)依賴于整數(shù)的原子層數(shù)，而非易受制備條件影響的尺寸或成分，其發(fā)光波長(zhǎng)展現(xiàn)出了高度的可重復(fù)性，不同批次LED的波長(zhǎng)差別小于1nm，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)體相準(zhǔn)二維鈣鈦礦LED（其波長(zhǎng)差異可達(dá)40nm）。此外，該類量子點(diǎn)LED顏色純度（半峰寬為29~43nm）也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)體相準(zhǔn)二維鈣鈦礦材料（半峰寬為61nm）。該LED實(shí)現(xiàn)了26.8%的外量子效率，且器件具備優(yōu)異的工作穩(wěn)定性和顏色穩(wěn)定性，在下一代超高清顯示技術(shù)中具有極大的應(yīng)用潛力。
載流子動(dòng)力學(xué)研究表明，電荷轉(zhuǎn)移是鈣鈦礦LED工作條件下的主要能量傳遞途徑。在該量子點(diǎn)LED中，由于較慢的電荷轉(zhuǎn)移和較低的Förster共振能量轉(zhuǎn)移概率，電致發(fā)光比光致發(fā)光表現(xiàn)出明顯的藍(lán)移，即有更多光子從小n值的量子點(diǎn)發(fā)射。這一載流子動(dòng)力學(xué)的研究也解決了在多n值體系中Förster共振能量轉(zhuǎn)移或電荷轉(zhuǎn)移所引起的漏斗效應(yīng)的能量傳遞機(jī)制爭(zhēng)論，為量子點(diǎn)LED的設(shè)計(jì)提供了重要的理論指導(dǎo)。
不同原子層數(shù)量子點(diǎn)LEDs的性能
該論文的第一作者為王立剛、劍橋大學(xué)博士生Zher Ying Ooi及嚴(yán)純?nèi)A課題組已畢業(yè)的博士賈鳳艷。王立剛、周歡萍、孫聆東、嚴(yán)純?nèi)A和Richard Friend為該論文的共同通訊作者。其他合作者來自劍橋大學(xué)、浙江大學(xué)等單位。該研究得到了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)牛頓國(guó)際獎(jiǎng)學(xué)金以及國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、北京市自然科學(xué)基金委、歐洲研究理事會(huì)等機(jī)構(gòu)的聯(lián)合資助。
(來源：集微)
