中國科大在純紅光鈣鈦礦電致發光二極管取得新進展

近日，中國科大姚宏斌教授課題組聯合張群教授、林岳教授和張國楨副研究員研究團隊提出金屬鹵化物鈣鈦礦亞穩相結晶策略，有效消除了混合鹵素鈣鈦礦CsPbI3-xBrx晶粒內部的面缺陷，從而制備了高效的純紅光鈣鈦礦發光二極管，其外量子效率達17.8%，亮度為9000cd m^-2，研究成果以題為“Planar defect-free pure red perovskite light-emittingdiodes via metastable phase crystallization”發表在國際期刊Science Advances上（Sci. Adv. 2022,8, eabq2321）。

金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于其高色純度、寬色域、低成本以及可溶液加工等優勢有望用于下一代發光二極管。然而鈣鈦礦材料由于其結晶過程的不可控，容易產生缺陷，這往往會限制鈣鈦礦發光二極管（PeLED）的效率以及穩定性。小分子鈍化劑已成功用于調控單一鹵素鈣鈦礦的成核、聚集以及組裝過程，獲得了高發光效率的微/納米晶薄膜，進而使得綠光和近紅外光PeLED的外量子效率超過20%。雖然小分子鈍化劑也被嘗試用于調控混合鹵素鈣鈦礦的結晶，但目前混合鹵素PeLED的效率以及穩定性依然很低，這其中的原因依然未知。

圖1.混合鹵素鈣鈦礦小分子調控的非經典結晶過程以及亞穩相結晶策略

姚宏斌教授課題組基于前期鈣鈦礦結晶調控的相關研究基礎（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8162-8170；Adv. Optical Mater. 2021, 9, 2001684），首先揭示了在混合鹵素鈣鈦礦成核、團聚以及組裝過程中，不均勻的鹵素離子分布會導致晶粒內部的面缺陷形成，進而提出了亞穩相結晶（MPC）制備混合鹵素鈣鈦礦薄膜的策略。該策略可以有效促進鈣鈦礦晶格內部的鹵素均勻混合，進而降低鈣鈦礦結晶過程中的晶格應力，從而消除鈣鈦礦晶粒內部的面缺陷（圖1）。

圖2.不同結晶過程制備的CsPbI3-xBrx薄膜晶粒內部的RP型面缺陷表征。(A-C)沒有聚合物引發的相分離過程(NPS)(A),一步法退火(OSC)(B)和亞穩相結晶(MPC)(C)薄膜的TEM圖。(D-E) NPS (D), OSC(E)和MPC(F)膜晶粒內部的HAADF-STEM圖。內部插圖是相應的快速傅里葉變換圖。(G-I)D-F圖中相應的原子級分辨的HAADF-STEM放大圖。