研究背景

近年來，鈣钛礦量子點（Perovskite Quantum Dots，QDs）因其卓越的色彩純度和可調的光電特性引起了廣泛關注。鈣钛礦量子點尤其是鉛鹵鈣钛礦（如CsPbI3）由于其在可見光區域內具有高效的光致發光特性而被認爲是理想的發光材料，特別適用于下一代顯示技術和光電設備。然而，盡管這些材料具備諸多優點，它們的表面缺陷、相穩定性問題以及在電場作用下的離子遷移傾向仍然是提升其商業應用前景的主要障礙。

鈣钛礦量子點的穩定性問題主要與其納米級的小尺寸和高表面活性有關。在量子點的表面，未被配體完全覆蓋的區域容易形成缺陷，這些缺陷不僅影響材料的光電性能，還可能成爲非輻射複合的中心，從而削弱量子點的發光效率和導致其發光性能下降。此外，傳統使用的表面配體如油酸和油胺在保護量子點穩定性方面的效果有限，尤其是在長時間照明或高電壓應用場景下。

爲了解決這些問題，科學家們尋求開發新的表面處理技術，以提高鈣钛礦量子點的表面穩定性和光電性能。近期的研究開始關注利用強吸附配體和化學蝕刻技術來改善鈣钛礦量子點的表面特性。

成果簡介

近日，浙江大學戴興良教授，黃靖雲教授聯合葉志鎮院士等人在Nature Nanotechnology上發題爲“Nanosurface-reconstructed perovskite for highly efficient and stable active-matrix light-emitting diode display”的最新論文。他們利用二異辛基膦酸（Diisooctylphosphinic Acid，DSPA）作爲表面配體，並結合氫碘酸（Hydriodic Acid，HI）的蝕刻處理，開發了一種納米表面重構策略。DSPA因其強吸附能力能顯著增加CsPbI3量子點表面鹵素空位的形成能，從而減少非輻射複合中心的生成。同時，HI蝕刻促進了表面重構，通過移除表面缺陷和重整表面原子的排列，進一步提升了量子點的整體穩定性和光電性能。

圖文導讀

爲了開發具有高效率和優異穩定性的純紅色鈣钛礦發光二極管（PeLEDs），研究者們展示了多層結構的設備和它們的電光特性（見圖1）。在圖1a中，通過透射電子顯微鏡（TEM）圖像展示了一個基于NR-QD的LED的多層結構，包括PEDOT:PSS:PFI、PTAA/TAPC、CsPbI3 NR-QDs、TPBi、LiF和Al等層，顯示出清晰的層間界面和均勻的層厚。圖1b的平帶能級圖揭示了NR-QDs相對于其他量子點類型具有更高的能級，這有助于降低空穴注入障礙，從而提高器件性能。在圖1c中，通過電致發光（EL）光譜，基于NR-QD的LED在不同電壓下展現了純紅色的穩定發光特性，證實了這種材料在光電應用中的高穩定性。具體數據顯示，此LED在644納米處有一個明顯的發光峰，即使在長時間工作後也沒有波長漂移。

進一步地，圖1d和圖1e分別描述了電流密度-電壓-亮度特性和量子效率（EQE）-亮度特性。特別是，NR-QD基LED在9.0伏時達到了4,140 cd/m²的最高亮度和28.5%的峰值EQE，這些性能指標遠超過基于其他量子點的LEDs。圖1f的EQE直方圖和圖1g的操作穩定性測試進一步證明了基于NR-QD的PeLEDs在提供高亮度和長期穩定性方面的優勢。這些結果不僅展示了NR-QD在制造高性能PeLEDs中的應用潛力，還突出了通過精確控制量子點發光層和其他功能層的工程化，可以顯著提升PeLEDs的整體性能。

圖1. 純紅色鈣钛礦發光二極管PeLEDs特征。

圖2展示了通過納米表面重構獲得的NR-QDs，並對其進行了詳細的表征。在圖2a中，通過示意圖和頂部的球差校正掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像展示了三種類型的量子點（QDs）的外觀。研究者發現，NR-QDs具有高結晶度和較小的尺寸分布，這是通過在DSPA的存在下，通過熱注入法合成而得到的。圖2b顯示了純化QDs在溶液中的吸收和光致發光（PL）光譜，表明NR-QDs具有純紅色的發射光譜，且與其他兩種QDs相比有明顯的藍移。此外，圖2c展示了通過TEM觀察到的QDs的形貌和尺寸分布，進一步證實了NR-QDs的較小尺寸。

圖2. CsPbI3量子點的納米表面重構。

其次，圖3展示了QDs的改進光學性質和穩定性。在圖3a中，研究者通過飛秒瞬態吸收測量觀察到了QDs的光譜漂白現象，結果表明NR-QDs在800 ps內沒有觀察到快速的漂白衰減，這表明載流子保持在帶邊而不是被缺陷態捕獲。在圖3b中，研究者進一步通過時間分辨PL測量揭示了QDs的發射光譜的動力學行爲，結果表明NR-QDs顯示出更長的發光壽命和較少的非輻射複合。此外，圖3c顯示了QD薄膜在不同激發強度下的光致發光量子效率（PLQY），結果表明NR-QDs在各個激發強度下都具有改進的PLQY，這有利于提高LED的性能。

通過研究QDs的動力學行爲和光致發光量子效率，研究者深入了解了QDs的內在特性，爲未來的量子點應用提供了重要的參考。這些發現對于開發更高效、更穩定的LED等光電子器件具有重要意義，有助于推動納米材料在能源、顯示和光通信等領域的應用。

圖3. 光學性質和穩定性。

在圖4中，研究者首先分析了量子點薄膜在LED器件中的穩定性。他們通過監測工作LED中量子點薄膜的發光強度衰減，比較了不同類型量子點薄膜的性能。結果顯示，相比于其他類型的量子點薄膜，NR-QDs的發光效率幾乎沒有降低。與此同時，NR-QD基LED的發光強度衰減速度明顯較慢，這表明了量子點的穩定性對于LED操作壽命的關鍵作用。進一步的研究表明，NR-QD基LED的電荷平衡因子和發光效率相對較高，與其他類型的LED相比，其電子輸運效率降低較小，顯示出更長的半壽命和更高的電荷注入效率。

圖4. 在設備配置中的穩定性分析。

在圖5中，研究者將LED與薄膜晶體管（TFT）電路集成，構建了一個有源矩陣顯示器。他們設計了特殊的TFT電路，使每個像素中的PeLED能夠獨立控制，從而實現了自發光的屏幕。通過優化TFT電路結構和薄膜質量，他們成功地集成了PeLED到每個像素中，實現了均勻的發光和獨立控制。這種有源矩陣顯示器的CIE坐標爲(0.710, 0.290)，顯示出純紅色發光，適用于廣色域顯示應用。與小面積LED相比，該有源矩陣PeLED顯示器在亮度、EQE和CE等方面表現出了相似的性能。此外，該有源矩陣PeLED顯示器展現出了優異的操作穩定性，具有22.3小時的半壽命，適用于長期應用。這些研究爲LED技術的進一步發展和廣泛應用提供了有益的參考和指導。

圖5: :有源矩陣鈣钛礦發光二極管PeLEDs顯示器的性能。

結論與展望

本文展示了一種納米表面重構策略，通過此策略成功穩定了超小型鈣钛礦量子點（QDs），並將其應用于高效的有機發光二極管（PeLED）和主動矩陣PeLED顯示器中。這一策略的成功應用爲鈣钛礦QD在光電子器件中的應用提供了新的思路和可能性。首先，通過納米表面重構，成功地改善了鈣钛礦QDs的光學性能和穩定性，包括優異的發光效率和長期操作穩定性，爲其在LED等器件中的應用打下了堅實的基礎。其次，將這些穩定的QDs成功地集成到TFT電路中，構建了高效的有源矩陣PeLED顯示器，展示了鈣钛礦QDs在顯示技術中的潛在應用。

這一研究不僅爲新型光電子器件的開發提供了新的設計思路和解決方案，還爲納米材料在能源轉換和信息顯示等領域的應用拓展了新的可能性。通過進一步探索鈣钛礦QDs與離子遷移等因素之間的關系，未來還可以進一步優化這些材料在光電子器件中的性能，推動這一領域的發展。

文獻信息

Li, H., Feng, Y., Zhu, M. et al. Nanosurface-reconstructed perovskite for highly efficient and stable active-matrix light-emitting diode display. Nat. Nanotechnol. (2024).