唐江教授Nature Commun.：基于热蒸发的大面积钙钛矿绿光发光二极管

导读

2021年8月6日， Nature Communications在线刊发了华中科技大学唐江教授课题组题为《Efficient and large-area all vacuum-deposited perovskite light-emitting diodes via spatial confinement》的研究论文。论文第一作者为杜培培博士生、李京徽博士生和王亮博士，通讯作者为罗家俊博士和唐江教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

显示技术在我们的日常生活中无处不在，其具有万亿市场规模。卤素钙钛矿发光二极管因其荧光量子产率高、半峰宽窄、原料便宜、加工容易，受到了科研界和产业界的广泛关注。尤其是钙钛矿色域可达140%的NTSC，优于当前主流的有机发光二极管（OLED）显示技术。此外，钙钛矿发光二极管的外量子效率已超过20%，与现有OLED技术相媲美，这极大激发了人们将其推向显示应用的兴趣。

但是现有的高效钙钛矿发光二极管均基于旋涂、刮涂等溶液法，无法满足显示面板像素化要求。而热蒸发是半导体产业广泛采用的一种成膜方法，可借鉴成熟的OLED技术，利用精细金属掩膜版实现像素化。因此，热蒸发是一条满足钙钛矿面板像素化、大面积、批量化生产的路径，并兼容现有的OLED产线和设备，可直接推进钙钛矿的产业化。

研究内容及结果

图1. 高效的热蒸发Cs-Pb-Br发光二极管。(a) 在CsBr-PbBr2 二元相图。(b) CsPbBr3 嵌入Cs4PbBr6 的示意图。(c) 通过CsPbBr3/Cs4PbBr6相对含量调控限域强度。(d-f) 热蒸发Cs-Pb-Br薄膜的载流子动力学研究。(g) 全真空钙钛矿发光二极管器件结构。(h) Cs-Pb-Br 发光二极管电致发光光谱。(i) 已报道的热蒸发钙钛矿发光二极管的外量子效率统计。

唐江教授团队针对热蒸发CsPbBr3荧光量子产率低的核心问题，将零维的Cs4PbBr6引入三维的CsPbBr3中，降低三维CsPbBr3中Pb-Br八面体的连接程度，通过空间限域效应提升3D钙钛矿薄膜的辐射复合效率；同时形成CsPbBr3/Cs4PbBr6类核壳结构，钝化界面缺陷，降低缺陷辅助的非辐射复合。团队通过瞬态荧光光谱、瞬态吸收光谱，研究了热蒸发薄膜中的载流子动力学，结果表明该策略可有效提升辐射复合速率（k2从1.47×10^-10 cm3 s-1提升到9.34×10^-10 cm3 s-1），同时抑制非辐射复合（k1从1.69×10^9 s-1降低到7.14×10^8 s-1），将薄膜的PLQY提升至40.8%，为优异的器件性能奠定了基础。

基于优化后的CsPbBr3薄膜，团队进一步构筑了全真空结构的钙钛矿发光二极管器件，制备工艺可兼容现有OLED产线技术，通过电流密度-电压-发光亮度曲线，测得最高外量子效率8.0%，是目前热蒸发钙钛矿发光二极管的最高效率。

图2. 热蒸发钙钛矿发光二极管面向显示应用的潜力。(a) 大面积、像素化的钙钛矿薄膜。(b) 图案化、柔性、大面积钙钛矿发光二极管。(c) 40.2 cm^2的热蒸发发光二极管的外量子效率曲线。(d) 已报道的钙钛矿发光二极管面积与效率统计

为了进一步展现热蒸发工艺的优越性，团队成功制备了可比拟手机尺寸的钙钛矿绿光薄膜（9 cm*10 cm），并表现出优异的形貌、组分以及荧光均匀性；最终，热蒸发制备的40.2 cm^2的钙钛矿发光二极管实现了7.1% 的外量子效率。值得一提的是，此前基于旋涂法的钙钛矿发光二极管最大面积仅为9 cm^2；同时该工作还展示了具有100 μm大小像素的热蒸发钙钛矿薄膜以及柔性“HUST”图案的显示，可见热蒸发技术是目前报道的可兼顾效率、大面积、像素化要求的可选路径之一。以上充分证明了热蒸发钙钛矿发光二极管面向新一代显示面板应用的潜力和可行性。

致谢

该研究工作得到了武汉光电国家研究中心梁文锡教授课题组在瞬态吸收方面的支持；得到了华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、材料科学与工程学院翟天佑课题组在光学表征方面的支持。该工作得到了国家自然科学基金，湖北省创新研究群体基金，国家重点研发计划，博士后创新人才支持计划，中国博士后科学基金 和华中科技大学创新基金等项目的资助，在此一并表示感谢。