近日，上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院李良教授課題組與合作團(tuán)隊在Nature Photonics期刊在線發(fā)表了題為“Suppression of temperature quenching in perovskite nanocrystals for efficient and thermally stable light-emitting diodes”的研究論文。該工作中，李良教授團(tuán)隊報道了一種通過氟離子表面鈍化實現(xiàn)鈣鈦礦納米晶在室溫到100℃范圍熒光近乎零“熱淬滅”的策略，所制備的LED電致發(fā)光器件也具有優(yōu)異的抗“熱淬滅”性能。
李良團(tuán)隊近年致力于解決限制熒光半導(dǎo)體納米晶（量子點(diǎn)）應(yīng)用的“穩(wěn)定性”瓶頸問題，在實現(xiàn)量子點(diǎn)穩(wěn)定性提升及LED等應(yīng)用推動方面取得一系列創(chuàng)新研究成果。鈣鈦礦量子點(diǎn)作為一種新型顯示材料，具備優(yōu)異的發(fā)光效率和色純度，而且材料本身制備簡單、成本低、易放大生產(chǎn)，成為照明顯示領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用研究炙手可熱的明星材料。然而鈣鈦礦量子點(diǎn)離子晶體的本征穩(wěn)定性差對其應(yīng)用提出了巨大的挑戰(zhàn)。針對這一問題，李良團(tuán)隊先后提出二氧化硅“無水包覆”（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138），硅鋁氧化物復(fù)合包覆(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56)和MOF封裝(Nat. Commun. 2017, 8)等一系列提高鈣鈦礦量子點(diǎn)穩(wěn)定性的包覆技術(shù)。2020年，團(tuán)隊巧妙利用多孔模板高溫崩塌實現(xiàn)原位致密封裝獲得穩(wěn)定性媲美陶瓷熒光粉的鈣鈦礦量子點(diǎn)，使鈣鈦礦量子點(diǎn)在LED芯片直接“on chip”封裝應(yīng)用成為可能，同時有利于傳統(tǒng)的量子點(diǎn)背光膜擺脫對阻隔膜的依賴（Nat. Commun. 2020, 11, 31），引起了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
近年來，量子點(diǎn)LED電致發(fā)光器件作為下一代照明顯示器件，成為科研及工業(yè)界的寵兒。鈣鈦礦量子點(diǎn)電致發(fā)光LED的效率和穩(wěn)定性是決定其實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。當(dāng)前，鈣鈦礦量子點(diǎn)的穩(wěn)定性研究主要集中在水、氧或者光照等三個因素對其晶體結(jié)構(gòu)以及發(fā)光效率的影響。然而，量子點(diǎn)在環(huán)境溫度升高的情況下同樣面臨發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)醯膯栴}，即所謂的熒光“熱淬滅”，這對實際應(yīng)用產(chǎn)生非常不利的影響。例如，量子點(diǎn)LED電視點(diǎn)亮?xí)r內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度升高，如果量子點(diǎn)發(fā)生“熱淬滅”，將導(dǎo)致電視屏幕色彩偏移、亮度減弱，嚴(yán)重影響用戶體驗。究其原因，是因為量子點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu)中熱激活的缺陷活化能較低，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，大量產(chǎn)生此類缺陷，從而捕獲光生激子導(dǎo)致電子-空穴非輻射復(fù)合幾率增大，最終致使量子點(diǎn)發(fā)光效率銳減以及發(fā)射波長偏移。在實際應(yīng)用中LED電致發(fā)光器件在電場作用下因產(chǎn)生焦耳熱其結(jié)點(diǎn)溫度可達(dá)到85℃甚至更高, 因此擁有較好的抗熱淬滅性能是鈣鈦礦電致發(fā)光LED實際應(yīng)用的必要條件。
有鑒于此，李良教授團(tuán)隊采用表面鈍化策略，利用有機(jī)氟離子后處理鈣鈦礦量子點(diǎn)，首次實現(xiàn)環(huán)境溫度處于100℃范圍內(nèi)量子點(diǎn)熒光性能近乎零淬滅。同時，以此量子點(diǎn)為發(fā)光層所制備的LED電致發(fā)光器件獲得室溫下19.34%的外量子效率，器件原位變溫測試顯示70℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)仍保持高于初始的80%的外量子效率，而無氟處理的樣品則衰減至初始的10%。該研究表明氟離子的引入僅存在于量子點(diǎn)表面且形成Type-I結(jié)構(gòu)，不僅鈍化量子點(diǎn)表面缺陷，提高了量子點(diǎn)的熒光量子效率，為獲得高性能器件提供可能；同時還極大提高熱激活的缺陷活化能，降低激子被熱活化缺陷捕獲的概率，提高鈣鈦礦量子點(diǎn)熒光抗“熱淬滅”性能，最終增強(qiáng)LED電致發(fā)光器件抗熱性，拓寬了其未來商業(yè)化應(yīng)用場景。
圖 鈣鈦礦量子點(diǎn)鈍化前后（a)電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，(b)熒光熱淬滅實物圖，(c)熒光量子效率及壽命，(d) 能帶排布，(e) 局域態(tài)密度變化，（f）原子結(jié)構(gòu)模擬
環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院劉明明博士、萬群博士，機(jī)械與動力工程學(xué)院汪華苗副教授為論文共同第一作者，意大利米蘭-比科卡大學(xué)Brovelli Sergio教授與李良教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（no. 2017YFE0127100）、國家自然科學(xué)基金（NSFC 21773155）、廣東省重點(diǎn)研發(fā)項目（2019B010924001）、上海交通大學(xué)重點(diǎn)前瞻布局基金、上海市揚(yáng)帆計劃（19YF1422200）等基金支持。
