8月6日，Nature Communations在線刊發了華中科技大學唐江教授課題組題為《Efficient and large-area all vacuum-deposited perovskite light-emitting diodes via spatial confinement》的研究論文。論文第一作者為杜培培博士生、李京徽博士生和王亮博士，通訊作者為羅家俊博士和唐江教授。論文第一單位為華中科技大學。
研究背景
顯示在我們的日常生活中無處不在，其具有萬億市場規模。鹵素鈣鈦礦發光二極管因其熒光量子產率高、半峰寬窄、原料便宜、加工容易而受到了科研界和產業界的廣泛關注。尤其是鈣鈦礦色域可達140%的NTSC,優于當前主流的有機發光二極管（OLED）顯示技術。此外，鈣鈦礦發光二極管的外量子效率已超過20%，與現有OLED技術相媲美，這極大激發了人們將其推向顯示應用的興趣。
但是現有的高效鈣鈦礦發光二極管均基于旋涂、刮涂等溶液法，無法滿足顯示面板像素化要求。而熱蒸發是半導體產業廣泛采用的一種成膜方法，其可借鑒成熟的OLED技術，利用精細金屬掩膜版實現像素化。因此，熱蒸發是一條滿足鈣鈦礦面板像素化、大面積、批量化生產的路徑，同時它可兼容現有的OLED產線和設備，可直接推進鈣鈦礦的產業化。
研究內容及結果
唐江教授團隊針對熱蒸發CsPbBr3熒光產率低的核心問題，將零維的Cs4PbBr6引入三維的CsPbBr3中，降低三維CsPbBr3中Pb-Br八面體的連接程度，通過空間限域效應提升3D鈣鈦礦薄膜的輻射復合效率；同時形成CsPbBr3/Cs4PbBr6類核殼結構,鈍化界面缺陷，降低缺陷輔助的非輻射復合。團隊通過瞬態熒光光譜、瞬態吸收光譜，研究了熱蒸發薄膜中的載流子動力學，結果表明該策略可有效提升輻射復合速率（k2從1.47×10-10cm3s-1提升到9.34×10-10cm3s-1），同時抑制非輻射復合（k1從1.69×109s-1降低到7.14×108s-1），最終將薄膜PLQY提升至40.8%，為優異的器件性能奠定了基礎。
基于優化后的CsPbBr3薄膜，團隊進一步構筑了全真空結構的鈣鈦礦發光二極管器件，制備工藝可兼容現有OLED產線技術。通過電流密度-電壓-發光亮度曲線，測得最高外量子效率8.0%，是目前熱蒸發鈣鈦礦發光二級管的最高效率。
為進一步展現熱蒸發工藝的優越性，團隊成功制備了可比擬手機尺寸的鈣鈦礦綠光薄膜（9 cm*10 cm），并表現出優異的形貌、組分以及熒光均勻性。最終，熱蒸發制備的40.2 cm2的鈣鈦礦發光二極管實現了7.1%的外量子效率。值得一提的是，此前基于旋涂法的鈣鈦礦發光二極管最大面積僅為9 cm2。同時該工作還展示了具有100 μm大小像素的熱蒸發鈣鈦礦薄膜以及柔性“HUST”圖案的顯示，可見熱蒸發技術是目前報道的可兼顧效率、大面積、像素化要求的可選路徑之一。以上充分證明了熱蒸發鈣鈦礦發光二極管面向新一代顯示面板應用的潛力和可行性。
圖1.高效的熱蒸發Cs-Pb-Br發光二極管。(a) CsBr-PbBr2二元相圖。(b) CsPbBr3嵌入Cs4PbBr6的示意圖。(c)通過CsPbBr3/Cs4PbBr6相對含量調控限域強度。(d-f)熱蒸發Cs-Pb-Br薄膜的動力學研究。(g)全真空鈣鈦礦發光二極管器件結構。(h) Cs-Pb-Br發光二極管電致發光光譜。(i)已報道的熱蒸發鈣鈦礦發光二極管的外量子效率統計。
圖2.熱蒸發鈣鈦礦發光二極管面向顯示應用的潛力。(a)大面積、像素化的鈣鈦礦薄膜。(b)圖案化、柔性、大面積鈣鈦礦發光二極管。(c) 40.2 cm2的熱蒸發發光二極管的外量子效率曲線。(d)已報道的發光面積超過1 cm2的鈣鈦礦發光二極管統計。
致謝
該研究工作得到了武漢光電國家研究中心梁文錫教授課題組在瞬態吸收方面的支持；得到了華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室、材料科學與工程學院翟天佑課題組在光學表征方面的支持。該工作得到了國家自然科學基金（61725401, 62050039, 5171101030, 51761145048, 62004075, 62005089），湖北省創新研究群體基金（2020CFA034），國家重點研發計劃（2016YFB0700702, 2016YFB0201204），博士后創新人才支持計劃（BX20200142），中國博士后科學基金(2020M682413, 2019M662624)和華中科技大學創新基金（No. 2021yjscxcy036）等項目的資助，在此一并表示感謝。
論文信息
P. Du, J. Li, L. Wang, L. Sun, X. Wang, X. Xu, L. Yang, J. Pang, W. Liang, J. Luo, Y. Ma, J. Tang. Efficient and large-area all vacuum-deposited perovskite light-emitting diodes via spatial confinement.Nat. Commun. 2021, 12, 4751.
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25093-6
