8月6日，Nature Communations在線刊發(fā)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(guī)模。鹵素鈣鈦礦發(fā)光二極管因其熒光量子產(chǎn)率高、半峰寬窄、原料便宜、加工容易而受到了科研界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注。尤其是鈣鈦礦色域可達140%的NTSC,優(yōu)于當前主流的有機發(fā)光二極管（OLED）顯示技術。此外，鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率已超過20%，與現(xiàn)有OLED技術相媲美，這極大激發(fā)了人們將其推向顯示應用的興趣。

但是現(xiàn)有的高效鈣鈦礦發(fā)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(fā)是半導體產(chǎn)業(yè)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(xiàn)像素化。因此，熱蒸發(fā)是一條滿足鈣鈦礦面板像素化、大面積、批量化生產(chǎn)的路徑，同時它可兼容現(xiàn)有的OLED產(chǎn)線和設備，可直接推進鈣鈦礦的產(chǎn)業(yè)化。

研究內(nèi)容及結果

唐江教授團隊針對熱蒸發(fā)CsPbBr₃熒光產(chǎn)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(tài)熒光光譜、瞬態(tài)吸收光譜，研究了熱蒸發(fā)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(yōu)異的器件性能奠定了基礎。

基于優(yōu)化后的CsPbBr₃薄膜，團隊進一步構筑了全真空結構的鈣鈦礦發(fā)光二極管器件，制備工藝可兼容現(xiàn)有OLED產(chǎn)線技術。通過電流密度-電壓-發(fā)光亮度曲線，測得最高外量子效率8.0%，是目前熱蒸發(fā)鈣鈦礦發(fā)光二級管的最高效率。

為進一步展現(xiàn)熱蒸發(fā)工藝的優(yōu)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(xiàn)出優(yōu)異的形貌、組分以及熒光均勻性。最終，熱蒸發(fā)制備的40.2 cm²的鈣鈦礦發(fā)光二極管實現(xiàn)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(fā)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(fā)鈣鈦礦薄膜以及柔性“HUST”圖案的顯示，可見熱蒸發(fā)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(fā)鈣鈦礦發(fā)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(fā)Cs-Pb-Br發(fā)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(diào)控限域強度。(d-f)熱蒸發(fā)Cs-Pb-Br薄膜的動力學研究。(g)全真空鈣鈦礦發(fā)光二極管器件結構。(h) Cs-Pb-Br發(fā)光二極管電致發(fā)光光譜。(i)已報道的熱蒸發(fā)鈣鈦礦發(fā)光二極管的外量子效率統(tǒng)計。

圖2.熱蒸發(fā)鈣鈦礦發(fā)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(fā)光二極管。(c) 40.2 cm²的熱蒸發(fā)發(fā)光二極管的外量子效率曲線。(d)已報道的發(fā)光面積超過1 cm²的鈣鈦礦發(fā)光二極管統(tǒng)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(tài)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(chuàng)新研究群體基金（2020CFA034），國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0700702, 2016YFB0201204），博士后創(chuàng)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(chuàng)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