化学系马冬昕团队开发出高效稳定的钙钛矿量子点深红光器件
清华新闻网3月17日电 半导体量子点具有量子产率高、发射光谱窄、兼容溶液工艺等优点，在光电材料与器件领域展现出广阔的应用前景和巨大的经济价值，相关研究获得了2023年诺贝尔化学奖。
与传统的II-VI族、III-V族量子点（如CdSe、CdS、InP等）相比，钙钛矿量子点具有成本低、合成工艺简单、光谱连续可调等独特的优势，近年来备受关注。基于钙钛矿量子点的发光器件的外量子效率已提高至20%以上，初步达到了商业应用门槛。然而，由于钙钛矿量子点的稳定性较差，发光器件的运行寿命仅为数十或数百小时，阻碍了其进一步产业化。
钙钛矿量子点需要配体与其表面结合以保持胶体稳定。然而，在钙钛矿量子点的生长、纯化、成膜、储存过程中，表面高动态且不稳定的配体容易脱落，使表面原子配位不足，不饱和键和悬空键增加，其表面的非配位原子容易与其他原子结合，导致钙钛矿量子点团聚或奥斯瓦尔德熟化，产生各种缺陷，进一步影响其发光性能和稳定性。
近日，清华大学化学系马冬昕团队提出了一种分子诱导的量子点熟化控制策略，实现了高效稳定的钙钛矿量子点深红光器件。团队设计了一系列双齿有机小分子，具有较小的尺寸和分子柔韧性，可通过扭曲其本身结构粘附在钙钛矿量子点表面，与失配位的Pb2+相互作用，维持稳定表面状态，抑制了钙钛矿量子点的不良熟化和团聚现象，降低表面缺陷态密度，提升量子产率。
图1.分子诱导的量子点熟化控制策略示意图
团队基于高性能的钙钛矿量子点构筑了深红光器件，发光峰位于686nm，外量子效率高达26.0%。器件展现了优异的工作稳定性，在13.3mA cm−2的恒定高电流密度下的工作半衰期为310min，而在初始辐射亮度为190mW sr−1m−2下的工作半衰期长达10587 h。此外，这种钙钛矿量子点溶液展现出优异的可存储性，存储一个月、三个月之后的溶液构筑的器件的外量子效率分别为21.7%、20.3%。
以上结果表明，论文所提出的分子诱导的量子点熟化控制策略可有效提升钙钛矿量子点发光器件的效率和稳定性，使其在高清显示和生物医学治疗中具有实用价值和应用前景。
图2.钙钛矿量子点发光器件的光电性能
图3.钙钛矿量子点发光器件的稳定性
相关研究成果以“分子诱导的钙钛矿量子点熟化控制策略实现高效稳定的发光器件”（Molecule-Induced Ripening Controlin Perovskite Quantum Dots for Efficient and StableLight-Emitting Diodes）为题，于3月14日发表于《科学·进展》（Science Advances）。
清华大学化学系博士后陈嘉伟、湖南大学半导体学院（集成电路学院）副教授陈树林、清华大学化学系博士生刘翔宇为论文的共同第一作者，清华大学化学系马冬昕副教授为论文的通讯作者，清华大学化学系为第一通讯单位。研究得到国家自然科学基金委青年基金、清华大学笃实计划、中国博士后面上项目、中国博士后特别资助、国家资助博士后研究人员计划以及清华大学“水木学者”计划的支持。
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