文章介绍
超小型CsPbI3钙钛矿量子点（QDs）是实现高效、稳定的纯红色钙钛矿发光二极管（PeLEDs）最有前途的候选材料。然而，对于超小型CsPbI3量子点来说，在组装成导电薄膜时保持其溶液相特性是具有挑战性的，这极大地阻碍了它们在器件中的应用。
基于此，南开大学章炜、陈军院士和袁明鉴等人报道了一种原位沉积稳定超小型CsPbI3QD导电固体的方法，即构建CsPbI3 QD/准二维（准二维）钙钛矿异质外延。在CsPbI3量子点的临界层厚处，边缘取向配体排列良好的周期性阵列引发了大量的八面体倾斜，从而提高了倾斜CsPbI3和δ-CsPbI3量子点之间的吉布斯自由能差，从而导致CsPbI3量子点的热力学稳定。该方法能够制造稳定的CsPbI3QD导电薄膜，其发射可调谐覆盖整个红色光谱区域，从600 nm到710 nm。同时报道了具有窄电致发光峰中心在630 nm的纯红色PeLEDs，符合超高清显示的Rec. 2100标准。冠军器件具有24.6%的外部量子效率和6330分钟的半衰期，是迄今为止报道的最高效、最稳定的纯红色PeLED之一。该方法也适用于大面积制造，使1 cm2的PeLED在630 nm处表现出20.5%的最佳外量子效率。该论文近期以“Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs”为题发表在顶级期刊Nature上。
🔍 研究亮点：
📚 研究内容：该研究专注于通过钙钛矿异质外延技术改善纯红色LEDs的性能。科研团队通过精确控制钙钛矿晶体的生长条件，实现了钙钛矿材料与其他半导体材料之间的高质量异质结构。这种结构不仅提高了电荷注入和复合效率，还减少了非辐射复合损失，从而提高了LEDs的整体性能。 🏆 研究意义：
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图1：CsPbI3 QD外延的合成。a，多维钙钛矿异质外延示意图，其中n表示[PbI6]4-八面体单元的数目。b，原始QD薄膜和CsPbI3 QD硒外延薄膜的GIWAXS图（光致发光（PL）峰在640 nm处）。c，不同尺寸的原始量子点薄膜和CsPbI3量子点硒外延薄膜的最大PLQY。d， CsPbI3 QD硒外延薄膜的瞬态吸收（TA）光谱，对应的PL峰集中在640 nm。e,f，HAADF图像显示原始QD膜(e)和CsPbI3 QD硒外延膜(f)（两者的PL峰均在约660 nm处）。g，典型原始CsPbI3量子点的原子尺度HAADF图像。h，g中纳米粒子的FFT谱图为α-CsPbI3。i，沿[001]区轴观察α-CsPbI3的晶胞模型。Pb和I原子列一起对应于g中最亮的点，而相对较弱的点对应于Cs或I。j，具有代表性的纳米颗粒/纳米板复合材料（硒外延）的原子尺度HAADF图像。k, I，j中QD区域1 (k)和2 (l)的FFT模式分别鉴定为α-CsPbI3和γ-CsPbI3。与α-CsPbI3相(k)相比，γ-CsPbI3的FFT模式在l中显示了四个额外的斑点。m，沿着[110]区轴观察γ-CsPbI3的晶胞模型。j中最亮的点对应于Pb和I原子柱，相对较弱的点对应于Cs或I原子柱，纳米板FFT模式在j中以白色虚线标记，被指定为α-CsPbI3。A.u，任意单位。比例尺，10 nm (e,f)；2nm（g,j）。
图2：准2D/CsPbI3 QD/准2D钙钛矿异质外延薄膜的研究。a，配体的偶极-偶极相互作用增强示意图。b，计算得到的Br-DMA+配体与PEA+(X-PEA+ (X=F, Cl, Br))配体的相互作用能（Eint）。c、基于Br-DMA+的CsPbI3 QD/PEA+的准2D钙钛矿异质外延和基于Br-DMA+的CsPbI3 QD/Br-PEA+的准2D钙钛矿异质外延的计算生成能。d，Br-PEA+共配体掺入后，Br-DMA+配体浓度（Cligands）从0.02 M增加到0.28 M的去外延膜的可调光致发光（PL）光谱。e，去外延薄膜的GIWAXS图，PL峰在640 nm左右。f，HAADF图像显示，去外延膜（PL峰在640 nm左右）主要由三明治结构的复合材料组成。g，具有代表性的去外延复合材料的原子尺度HAADF图像，其中纳米颗粒用蓝色虚线框标记，两个纳米片用白色虚线框标记。i，g中QD区域1-3的FFT模式分别为γ-CsPbI3相、α-CsPbI3相和γ-CsPbI3相。j，g中底部纳米板的FFT模式属于α-CsPbI3相。k，去外延复合材料的低剂量HRTEM图像。l,m，放大后的4 (l)和5 (m)区域的HRTEM图像，如图k. n中白色实框所示，去外延复合材料示意图。比例尺，10 nm (f)；2nm (g,k）。
图3：八面体倾斜。a-c，原子尺度HAADF图像（左上），原理图（右上）和原始QD (a)，硒外延(b)和去外延(c)的相应Cs位移映射（下）。d-f，原始QD (d)，硒外延(e)和去外延(f)的八面体倾斜角随CsPbI3 QD（沿x方向）的[PbI6] 4-单元胞的函数图，分别具有相应的95%置信带。g，倾斜CsPbI3和δ-CsPbI3之间的吉布斯自由能差（其中ΔG=Gtilted − Gδ，其中Gtilted表示具有各种八面体倾斜角的倾斜CsPbI3的吉布斯自由能，Gδ表示δ-CsPbI3的吉布斯自由能）。h，不同结构中的晶格演化示意图。
总之，作者开发了一种钙钛矿异质外延技术，用于制造高效率和稳定的纯红色发光二极管（LEDs）。这项技术通过精确控制钙钛矿材料的晶体生长，实现了高质量的异质结构，从而显著提高了LEDs的性能和稳定性。
器件结构：ITO/PEDOT:PSS/PVSK/TPBi /LiF/Al
1. PEDOT:PSS溶液与PFI以4：1（w/w）混合，通过去离子水和异丙醇和混合物（1：1，体积比）稀释，搅拌4 h，使用0.45 um PTFE过滤，500rpm 10s+5000rpm 60s旋涂，150℃退火15 min，转移至手套箱内，0.5 mg/mL PFN-Br MeOH，4000rpm旋涂；
2. se-epitaxy：Br-DMAI, PEAI, CsI, PbI2 和SFB-10溶解在DMF:DMSO=4:1(v/v)，搅拌，0.2 um PTFE使用前过滤，5000rpm 60s旋涂，旋转镀膜过程中，8 s后滴入300 μl氯苯，80℃退火8 min。
de-epitaxy，将PEA+作为共配体替换为Br-PEA+，即通过溶解Br-DMAI、Br-PEAI、CsI、PbI2和SFB-10添加剂制备前驱体，DMF:DMSO=4:1(v/v)。搅拌过夜，0.2 um PTFE使用前过滤，5000rpm 60s旋涂，旋转镀膜过程中，8 s后滴入300 μl氯苯，80℃退火8 min。
在加入PEA+ (Br-PEA+)作为共配体的情况下，通过调节Br-DMA+配体的浓度，可以调节对应不同平均量子点尺寸的薄膜的发射波长。
3. 蒸镀TPBi (40 nm), LiF (0.8 nm)，Al。
文章信息
Wei, K., Zhou, T., Jiang, Y. et al. Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08503-9
DOI: 10.1038/s41586-024-08503-9
本文源自微信公众号：钙钛矿人
原文标题：《南开大学袁明鉴 Nature: EQE 24.6%！球差电镜建奇功！揭示钙钛矿外延异质结界面应力操控！》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/VyPwe1q4ZiHIySlrvrZEIw
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