基于金屬鹵化物鈣鈦礦(PeLEDs)的發光二極管(LEDs)，具有高色彩質量和易于溶液處理的優點，是全彩和高清顯示的有前途的候選者。

盡管在使用溴化鉛鈣鈦礦的綠色PeLEDs中取得了巨大的成功，但使用基于碘的同類產品實現純紅色(620-650 nm) LEDs仍然具有挑戰性，因為它們受到低固有帶隙的限制。

在此，來自吉林大學的王寧&英國劍橋大學的Neil C. Greenham &上海大學的楊緒勇等研究者報告了整個純紅色區域的高效和顏色穩定的PeLEDs，在638 nm處的峰值外量子效率達到28.7%，這是通過將雙端錨定配體分子結合到純碘鈣鈦礦中實現的。相關論文以題為“Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure”于2024年06月12日發表在Nature上。

金屬鹵化物鈣鈦礦，因其高顏色純度、可調帶隙和易于溶液加工而在高清顯示器中獲得了極大的關注。鈣鈦礦發光二極管(PeLEDs)的性能已經取得了快速的進展，特別是使用溴基鈣鈦礦的綠色發光二極管，其外部量子效率(EQEs)已接近30%。

然而，實現高效且色彩穩定的純紅色發光二極管(在620和650納米之間)仍然是一個挑戰，這是顯示器中三原色之一的先決條件。溴化鉛鈣鈦礦固有的帶隙為實現飽和綠色發射提供了天然優勢。相比之下，碘(I)基鈣鈦礦由于其窄帶隙，在深紅色(例如，CsPbI₃約為680 nm)甚至近紅外區域發射。

鈣鈦礦中的Br-I混合是一種廣泛使用的策略，可以將帶隙調諧到純紅色發射區，但由于電偏壓下的鹵化物偏析，這很容易引起光譜移動。另外，降維I-基鈣鈦礦是混合Br-I鈣鈦礦的有力競爭者。膠體CsPbI₃納米晶體已被證明可以通過量子尺寸效應實現純紅發射。

然而，除了相對復雜的合成之外，這種膠體納米晶體具有絕緣的長鏈有機配體，這不僅阻礙了載流子的運輸，而且還導致了不穩定性，因為它們容易從鈣鈦礦的軟晶格表面分離。

具有量子阱結構的降維多晶鈣鈦礦薄膜易于成膜，具有高效的輻射復合率和在PeLEDs中長期穩定的潛力。到目前為止，為實現純紅發射，定制能量級聯通道的間隔器工程已經得到了廣泛的發展。

不幸的是，基于Ruddlesden-Popper鈣鈦礦的PeLEDs的EQE僅為12.4%，遠遠落后于目前的水平。同時表現出高效率和光譜穩定性的降維紅色等離子體尚未被證明。

更重要的是，上述溶液處理的鈣鈦礦很少能在光激發下實現光譜穩定發射，在高電壓偏置下更是罕見。缺乏光譜穩定的純紅色發射選擇可能會限制PeLED技術的顯示應用。

在這里，研究者報告了整個純紅色區域的高效和顏色穩定的PeLEDs，在638 nm處的峰值外量子效率達到28.7%，這是通過將雙端錨定配體分子結合到純碘鈣鈦礦中實現的。研究者證明了有機插層陽離子的一個關鍵功能是通過與暴露的鉛離子配位和增強與碘的氫鍵來穩定鉛碘八面體。該分子協同促進光譜調制，促進鈣鈦礦量子阱之間的電荷轉移，并減少電偏壓下的碘遷移。

研究者實現了碘基鈣鈦礦薄膜的連續可調諧發射波長，由于離子鈣鈦礦中鉛碘的鍵能隨著帶隙的增加而降低，從而抑制了能量損失。重要的是，所得器件在初始亮度為100 cd m^?2時表現出出色的光譜穩定性和超過7,600 min的半衰期。

圖1 MOPA與鈣鈦礦的相互作用和結構。

圖2 光電特性。

圖3 純紅色發光二極管的器件性能。

圖4 PeLEDs的穩定性分析。

綜上所述，在這項工作中，研究者將具有銨基和甲氧基的雙端錨定配體分子MOPA加入到降維鈣鈦礦中，通過加強氫鍵相互作用和配位鉛離子來穩定無機骨架，從而抑制電場下的I -遷移和減少非輻射重組。

MOPA還誘導了強量子約束，擴大了鈣鈦礦帶隙，并且由于甲氧基的吸電子性質，促進了電荷在范德華隙中的轉移。這些改進使研究者在整個純紅色區域實現了超過20%的EQE(冠軍PeLED的EQE達到28.7%)，穩定均勻的電致發光發射，并顯著提高了使用壽命。

該研究結果展示了一種非常有前途的路線，用于制造具有高色彩純度的全彩顯示器的PeLEDs。這一根本性的進步也適用于各種顏色的鹵化物鈣鈦礦半導體，為達到Rec. 2020標準鋪平了道路。

【參考文獻】

Kong, L., Sun, Y., Zhao, B. et al. Fabrication of red-emitting perovskite LEDs by stabilizing their octahedral structure. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07531-9

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07531-9