復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)助力實(shí)現(xiàn)高效深藍(lán)光鈣鈦礦LED

近些年，具有優(yōu)異光電性能的金屬鹵化物鈣鈦礦材料制備的發(fā)光二極管(LED)得到迅速發(fā)展。盡管，在綠光、紅光和近紅外范圍內(nèi)鈣鈦礦發(fā)光器件的最大外量子效率均實(shí)現(xiàn)20%的突破，但是在藍(lán)光，尤其是深藍(lán)光 (<460 nm) 范圍內(nèi)，器件性能較低制約了鈣鈦礦LED進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展。因此，對高效深藍(lán)光鈣鈦礦發(fā)光器件的研究得到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。為了進(jìn)一步提升器件效率，設(shè)計(jì)并合成出具有高光致發(fā)光量子產(chǎn)率、穩(wěn)定發(fā)光顏色的新型鈣鈦礦材料至關(guān)重要。

最近，復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高分子科學(xué)系汪偉志研究團(tuán)隊(duì)提出了一種實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦穩(wěn)定藍(lán)光發(fā)射調(diào)控的重要策略——通過引入尺寸合適且具有一定剛性的有機(jī)陽離子，可以合成出具有穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)的二維鈣鈦礦單晶。在嚴(yán)格控制溶劑含水量的情況下，利用旋涂法原位形成高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜可制備出高效的深藍(lán)光鈣鈦礦二極管。該研究首先用苯并咪唑(BI)陽離子取代了傳統(tǒng)的Cs+, CH3NH4+,合成出了一種層狀二維鈣鈦礦BI2PbBr4單晶，其表現(xiàn)出了獨(dú)特的深藍(lán)光發(fā)射和高光致發(fā)光量子產(chǎn)率。Pb-Br層為發(fā)光中心，彼此之間被有機(jī)層隔開，相鄰苯并咪唑苯環(huán)之間的п-п相互作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過密度泛函理論，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，研究者對比了無水和含水溶劑中生長出的晶體結(jié)構(gòu)及其光譜性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)后者的發(fā)射峰發(fā)生了明顯的紅移，可認(rèn)為是從溶解度更小的含水溶劑中生長出的單晶具有更緊密的晶體結(jié)構(gòu)，相鄰Pb-Br層的距離被壓縮使其層間耦合程度增加所致。同時(shí)，通過SEM，AFM和GIXRD表征發(fā)現(xiàn)，在嚴(yán)格控制制備條件時(shí)，原位生成的鈣鈦礦薄膜與傳統(tǒng)鉛鹵鈣鈦礦薄膜相比，具有更高的表面平整度，更小的晶粒尺寸，更少的晶界缺陷和更完善的結(jié)晶程度。改性后的鈣鈦礦薄膜可制備出高效的鈣鈦礦LED，實(shí)現(xiàn)了449 nm處的深藍(lán)色電致發(fā)光，最大亮度為1315 cd/m2，最大外量子效率為3.08%。

該研究工作不僅制備出了高性能的深藍(lán)光鈣鈦礦二極管，還提出了一種制備穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦的有效方法。同時(shí)，揭示了制備條件控制(溶劑的含水量)對鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和薄膜形貌的重要作用，對今后鈣鈦礦的合成及其在光電器件中應(yīng)用的進(jìn)一步探索工作具有借鑒意義。