有源矩阵显示，浙大叶志镇院士团队Nature Nanotechnology

研究背景

近年来，钙钛矿量子点（Perovskite Quantum Dots，QDs）因其卓越的色彩纯度和可调的光电特性引起了广泛关注。钙钛矿量子点尤其是铅卤钙钛矿（如CsPbI3）由于其在可见光区域内具有高效的光致发光特性而被认为是理想的发光材料，特别适用于下一代显示技术和光电设备。然而，尽管这些材料具备诸多优点，它们的表面缺陷、相稳定性问题以及在电场作用下的离子迁移倾向仍然是提升其商业应用前景的主要障碍。

钙钛矿量子点的稳定性问题主要与其纳米级的小尺寸和高表面活性有关。在量子点的表面，未被配体完全覆盖的区域容易形成缺陷，这些缺陷不仅影响材料的光电性能，还可能成为非辐射复合的中心，从而削弱量子点的发光效率和导致其发光性能下降。此外，传统使用的表面配体如油酸和油胺在保护量子点稳定性方面的效果有限，尤其是在长时间照明或高电压应用场景下。

为了解决这些问题，科学家们寻求开发新的表面处理技术，以提高钙钛矿量子点的表面稳定性和光电性能。近期的研究开始关注利用强吸附配体和化学蚀刻技术来改善钙钛矿量子点的表面特性。

成果简介

近日，浙江大学戴兴良教授，黄靖云教授联合叶志镇院士等人在Nature Nanotechnology上发题为“Nanosurface-reconstructed perovskite for highly efficient and stable active-matrix light-emitting diode display”的最新论文。他们利用二异辛基膦酸（Diisooctylphosphinic Acid，DSPA）作为表面配体，并结合氢碘酸（Hydriodic Acid，HI）的蚀刻处理，开发了一种纳米表面重构策略。DSPA因其强吸附能力能显著增加CsPbI3量子点表面卤素空位的形成能，从而减少非辐射复合中心的生成。同时，HI蚀刻促进了表面重构，通过移除表面缺陷和重整表面原子的排列，进一步提升了量子点的整体稳定性和光电性能。

图文导读

为了开发具有高效率和优异稳定性的纯红色钙钛矿发光二极管（PeLEDs），研究者们展示了多层结构的设备和它们的电光特性（见图1）。在图1a中，通过透射电子显微镜（TEM）图像展示了一个基于NR-QD的LED的多层结构，包括PEDOT:PSS:PFI、PTAA/TAPC、CsPbI3 NR-QDs、TPBi、LiF和Al等层，显示出清晰的层间界面和均匀的层厚。图1b的平带能级图揭示了NR-QDs相对于其他量子点类型具有更高的能级，这有助于降低空穴注入障碍，从而提高器件性能。在图1c中，通过电致发光（EL）光谱，基于NR-QD的LED在不同电压下展现了纯红色的稳定发光特性，证实了这种材料在光电应用中的高稳定性。具体数据显示，此LED在644纳米处有一个明显的发光峰，即使在长时间工作后也没有波长漂移。

进一步地，图1d和图1e分别描述了电流密度-电压-亮度特性和量子效率（EQE）-亮度特性。特别是，NR-QD基LED在9.0伏时达到了4,140 cd/m²的最高亮度和28.5%的峰值EQE，这些性能指标远超过基于其他量子点的LEDs。图1f的EQE直方图和图1g的操作稳定性测试进一步证明了基于NR-QD的PeLEDs在提供高亮度和长期稳定性方面的优势。这些结果不仅展示了NR-QD在制造高性能PeLEDs中的应用潜力，还突出了通过精确控制量子点发光层和其他功能层的工程化，可以显著提升PeLEDs的整体性能。

图1. 纯红色钙钛矿发光二极管PeLEDs特征。

图2展示了通过纳米表面重构获得的NR-QDs，并对其进行了详细的表征。在图2a中，通过示意图和顶部的球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）图像展示了三种类型的量子点（QDs）的外观。研究者发现，NR-QDs具有高结晶度和较小的尺寸分布，这是通过在DSPA的存在下，通过热注入法合成而得到的。图2b显示了纯化QDs在溶液中的吸收和光致发光（PL）光谱，表明NR-QDs具有纯红色的发射光谱，且与其他两种QDs相比有明显的蓝移。此外，图2c展示了通过TEM观察到的QDs的形貌和尺寸分布，进一步证实了NR-QDs的较小尺寸。

图2. CsPbI3量子点的纳米表面重构。

其次，图3展示了QDs的改进光学性质和稳定性。在图3a中，研究者通过飞秒瞬态吸收测量观察到了QDs的光谱漂白现象，结果表明NR-QDs在800 ps内没有观察到快速的漂白衰减，这表明载流子保持在带边而不是被缺陷态捕获。在图3b中，研究者进一步通过时间分辨PL测量揭示了QDs的发射光谱的动力学行为，结果表明NR-QDs显示出更长的发光寿命和较少的非辐射复合。此外，图3c显示了QD薄膜在不同激发强度下的光致发光量子效率（PLQY），结果表明NR-QDs在各个激发强度下都具有改进的PLQY，这有利于提高LED的性能。

通过研究QDs的动力学行为和光致发光量子效率，研究者深入了解了QDs的内在特性，为未来的量子点应用提供了重要的参考。这些发现对于开发更高效、更稳定的LED等光电子器件具有重要意义，有助于推动纳米材料在能源、显示和光通信等领域的应用。

图3. 光学性质和稳定性。

在图4中，研究者首先分析了量子点薄膜在LED器件中的稳定性。他们通过监测工作LED中量子点薄膜的发光强度衰减，比较了不同类型量子点薄膜的性能。结果显示，相比于其他类型的量子点薄膜，NR-QDs的发光效率几乎没有降低。与此同时，NR-QD基LED的发光强度衰减速度明显较慢，这表明了量子点的稳定性对于LED操作寿命的关键作用。进一步的研究表明，NR-QD基LED的电荷平衡因子和发光效率相对较高，与其他类型的LED相比，其电子输运效率降低较小，显示出更长的半寿命和更高的电荷注入效率。

图4. 在设备配置中的稳定性分析。

在图5中，研究者将LED与薄膜晶体管（TFT）电路集成，构建了一个有源矩阵显示器。他们设计了特殊的TFT电路，使每个像素中的PeLED能够独立控制，从而实现了自发光的屏幕。通过优化TFT电路结构和薄膜质量，他们成功地集成了PeLED到每个像素中，实现了均匀的发光和独立控制。这种有源矩阵显示器的CIE坐标为(0.710, 0.290)，显示出纯红色发光，适用于广色域显示应用。与小面积LED相比，该有源矩阵PeLED显示器在亮度、EQE和CE等方面表现出了相似的性能。此外，该有源矩阵PeLED显示器展现出了优异的操作稳定性，具有22.3小时的半寿命，适用于长期应用。这些研究为LED技术的进一步发展和广泛应用提供了有益的参考和指导。

图5: :有源矩阵钙钛矿发光二极管PeLEDs显示器的性能。

结论与展望

本文展示了一种纳米表面重构策略，通过此策略成功稳定了超小型钙钛矿量子点（QDs），并将其应用于高效的有机发光二极管（PeLED）和主动矩阵PeLED显示器中。这一策略的成功应用为钙钛矿QD在光电子器件中的应用提供了新的思路和可能性。首先，通过纳米表面重构，成功地改善了钙钛矿QDs的光学性能和稳定性，包括优异的发光效率和长期操作稳定性，为其在LED等器件中的应用打下了坚实的基础。其次，将这些稳定的QDs成功地集成到TFT电路中，构建了高效的有源矩阵PeLED显示器，展示了钙钛矿QDs在显示技术中的潜在应用。

这一研究不仅为新型光电子器件的开发提供了新的设计思路和解决方案，还为纳米材料在能源转换和信息显示等领域的应用拓展了新的可能性。通过进一步探索钙钛矿QDs与离子迁移等因素之间的关系，未来还可以进一步优化这些材料在光电子器件中的性能，推动这一领域的发展。

文献信息

Li, H., Feng, Y., Zhu, M. et al. Nanosurface-reconstructed perovskite for highly efficient and stable active-matrix light-emitting diode display. Nat. Nanotechnol. (2024).