近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授王锴在钙钛矿发光二极管领域取得了一系列研究进展，先后在《先进材料》、《ACS能源快报》、《通信材料》和《光学快报》上发表了4篇论文，均为信息材料和光学领域的高水平期刊。

钙钛矿发光二极管是利用钙钛矿材料作为发光层进行电光转换的器件。与其他发光材料相比，钙钛矿具有发光峰窄、色域宽、波长容易调节、制备方法灵活、成本低等特点，因此在显示领域具有很大的应用前景。

由于准二维钙钛矿独特的多量子阱结构，基于准二维钙钛矿的蓝色PeLED近年来受到广泛关注。然而，传统的准二维钙钛矿相分布较宽，尤其是大量的低阶相成分，阻碍了钙钛矿相之间的有效能量传递，导致器件的发光性能较低。此外，钙钛矿在结晶和成膜过程中不可避免地会产生一些缺陷态，使得电子-空空穴对的非辐射复合几率增加，进一步制约了器件性能的提升。

在发表于《ACS Energy Letters》的研究中，课题组提出了准二维钙钛矿与二维钙钛矿相结合的方法，发现双配体制备的准二维钙钛矿可以有效抑制低阶钙钛矿的生长，提高钙钛矿的相纯度，从而有效提高钙钛矿相之间的能量转移，实现稳定的电致发光峰位。同时还发现过量的PEABr会填充钙钛矿结晶过程中产生的离子空位，降低钙钛矿的缺陷态密度。最后，基于钙钛矿相分布调节和缺陷钝化策略，制备了一种高效的钙钛矿蓝光器件，比PeLED提高了117%。课题组访问的博士后任振伟是该论文的第一作者，南方科技大学电子系教授王锴、陈瑞和香港大学教授蔡志勇为合作记者。该研究工作得到了南方科技大学电子系教授孙的大力支持。

图1。peled器件的结构和性能以及恒流驱动PeLED的电致发光光谱

虽然通过提高准二维钙钛矿的相纯度可以改善相之间的能量转移过程，但基于单一官能团的准二维钙钛矿中有机链的堆积使得不同相之间存在范德华力，不可避免地导致相之间存在范德华间隙，更有效地限制了能量转移。在发表于《Advanced Materials》的研究论文中，研究组在准二维钙钛矿中引入了含有双功能基团的配体，促进了不同钙钛矿相之间的耦合，从而有效改善了钙钛矿相之间的能量传递，显著提高了器件性能。结果表明，经ABABr配体修饰的蓝色PeLED的外量子效率大于10%，比未修饰的PeLED高40%。相应地，该器件的工作寿命也从32.1分钟提高到81.3分钟，这使得该器件的性能跻身blue PeLED目前报道的最高性能之列。课题组访问的博士后任振伟是该论文的第一作者，香港大学的王锴、陈瑞、蔡志勇为合作记者。

图2。准二维钙钛矿层间相互作用、蓝色PeLED电致发光的CIE坐标及其器件性能

同时，在钙钛矿发光二极管中，仍然存在电子注入过量和空空穴注入不足的问题。多余的电子容易在界面堆积，造成激子猝灭等问题，不利于器件性能的提高。因此，有必要增强器件中空孔的注入，促进载流子的注入平衡，以提高PeLED性能。基于发表在《通信材料》上的研究成果，课题组提出了一种基于电偶极子层的空空穴注入增强策略。首先，通过引入电荷输运的跳跃模型分析，研究团队证实了空空穴注入层和空空穴传输层之间的电偶极子层增强了空空穴的注入。但MoO3具有深能级特性，容易与相邻的空空穴注入层和空空穴传输层产生电荷转移，从而形成大量电偶极子，大大增强了空空穴的注入速率。器件中电场分布、载流子密度分布和复合率分布的模拟结果从理论上证明了MoO3电偶极子层对空空穴注入的增强作用。器件低频电容电压特性的分析结果也验证了这一结论。在理论分析和模拟计算的基础上，我们课题组基于MoO3电偶极子层制备的绿色PeLED的外量子效率从8.7%显著提高到16.8%，电流效率高达72.7cd A-1，是已知同类器件中最高的。2017年南科大-香港大学联合培养博士生肖翔、2019年南科大-新加坡国立大学联合培养博士生叶泰康为本文共同第一作者，王锴和Wallace C. H. Choy为共同通讯员。研究工作得到了孙的大力支持。

图3。电偶极子层结构示意图；器件载流子密度分布；设备中的电场分布；控制装置的复合速率分布；引入MoO3电偶极子层后器件的复合速率分布:外量子效率-电流密度特性曲线；电流效率-电流密度特性曲线；电容-电压特性曲线。

较高的工作温度会严重影响QLED/PeLED的寿命，因此课题组进一步研究了不同因素对QLED/PeLED工作温度的影响。在发表于《光学快报》的工作中，课题组建立了经实验验证的QLED/PeLED热模型，系统分析了电光转换效率、工作电压、电流密度、有效工作面积、衬底尺寸、衬底材料和环境条件等各种因素对器件工作温度的影响，明确了安全工作温度下的条件边界，为高稳定性QLED/PeLED的发展提供了有效指导。2018年南科大-澳大联合培养博士生张天其为本文第一作者，王锴与澳门大学副教授邢桂川为联合通讯员。

图4。QLED/PeLED:电能转化为光能和热能示意图；相同工况下的实际工作温度和模拟温度结果；-不同影响因素对工作温度的影响。

上述研究也得到了孙、微电子学院王飞副教授、苏州大学尹、华中科技大学、香港科技大学黄锦星、香港中文大学助理教授、中国南方科技大学分析测试中心以及国家自然科学基金的支持， 国家重点研发计划、广东省自然科学优秀青年基金等广东高校量子点先进显示与照明重点实验。

论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01015

https://doi.org/10.1002/adma.202005570

https://doi.org/10.1364/OE.410393

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