量子點自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)卡文迪許實驗室Richard Friend院士/爵士課題組合作，實現(xiàn)了不同原子層數(shù)量子點的高效發(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)，并實現(xiàn)了26.8%的外量子效率（EQE）。這一成果對高清顯示領(lǐng)域具有重要意義，發(fā)表于國際知名期刊《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)。

論文發(fā)表界面截圖

2023年，諾貝爾化學(xué)獎授予了3位發(fā)明膠體量子點的科學(xué)家。量子點的寬廣色域、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)的量子點顏色調(diào)控主要通過控制量子點的尺寸來實現(xiàn)，但量子點的尺寸易受到前驅(qū)體組成、反應(yīng)溫度/時間、配體類型/比例等合成條件的影響，導(dǎo)致發(fā)光波長的重復(fù)性不佳。鉛鹵鈣鈦礦量子點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)光波長等特點，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，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、長波長的大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原子層數(shù)來控制其LED電致發(fā)光波長的新方案。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合成法（FEPS）”。該方法通過將鈣鈦礦A位陽離子前驅(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。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)的鈣鈦礦量子點溶液，進(jìn)而制備出不同發(fā)射波長的LED。

基于此合成方法，研究團(tuán)隊首次實現(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)對三基色紅光波長的要求。更重要的是，由于該LED的發(fā)光波長依賴于整數(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)光波長展現(xiàn)出了高度的可重復(fù)性，不同批次LED的波長差別小于1nm，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)體相準(zhǔn)二維鈣鈦礦LED（其波長差異可達(dá)40nm）。此外，該類量子點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值的量子點發(fā)射。這一載流子動力學(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)制爭論，為量子點LED的設(shè)計提供了重要的理論指導(dǎo)。

不同原子層數(shù)量子點LEDs的性能