全位点合金钙钛矿：高效蓝光发光二极管的新突破

为解决高效蓝色三维钙钛矿发光二极管（LED）因多 A 位阳离子钙钛矿无序结晶形成缺陷的问题，研究人员开展全位点合金法制备钙钛矿的研究。结果实现了外量子效率 23.3% 、发光效率 33.4 lm W-1 、亮度约 5700 cd m-2的蓝光 LED，为光电子领域高质量多组分钙钛矿生长提供策略。

　　在现代显示与照明领域，钙钛矿发光二极管（Perovskite light - emitting diodes，PeLEDs）备受瞩目，因其具有高亮度、低功耗和潜在低成本等优势，被视为新兴发光技术的有力候选者。近年来，红色和绿色 PeLEDs 取得显著进展，外量子效率（External quantum efficiencies，EQEs）已接近有机发光二极管和量子点发光二极管 。然而，蓝色 PeLEDs 的效率和亮度却远远落后，这成为其在全彩显示应用中的 “绊脚石”。混合溴化物 / 氯化物（Br/Cl）的三维（3D）钙钛矿虽展现出高电荷迁移率和高俄歇复合阈值，有望实现高效蓝光 LED，但多 A 位阳离子（如甲脒 / 铯 / 铷，FA/Cs/Rb）在提升晶体结构稳定性和卤化物均匀性时，会引发竞争性结晶过程，导致无序生长和阳离子偏析，产生大量缺陷。为攻克这一难题，南京工业大学柔性电子（未来技术）学院的研究人员开展了一项研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过旋涂制备钙钛矿前驱体溶液，利用多种表征技术如 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光致发光光谱（PL）、阴极荧光（CL）等对钙钛矿薄膜和器件进行表征；使用俄歇电子能谱（AES）分析元素，通过 X 射线光电子能谱（XPS）探究结晶机制，还运用第一性原理计算从理论层面辅助解释。
研究结果如下：

• 高性能钙钛矿薄膜和发光二极管：制备的全位点合金 (FA / Cs / Rb)(Pb / Sr)(Br / Cl)₃钙钛矿层，相较于不含 Sr 的 Pb 钙钛矿，含 Sr 的 Pb/Sr 钙钛矿薄膜结晶度增强、晶粒更大、光致发光量子效率（PLQE）提高至 75%，陷阱密度降低至 4.2×10¹⁴ cm^-3 ，且发光更均匀。基于 Pb/Sr 钙钛矿制备的蓝光 LED 性能卓越，电致发光（EL）峰值在 487nm，开启电压低至 2.4V，最大亮度约 5700 cd m^-2 ，峰值 EQE 达 23.3%，峰值发光效率为 33.4 lm W^-1 ，半寿命长达 42min，颜色稳定性良好。通过原位卤化物交换调整 Cl 与 Br 比例，可将 EL 峰值调至深蓝光 468nm 和 464nm，且深蓝光 464nm 的器件达到 Rec. 2020 蓝色标准。
• 高质量钙钛矿的形成机制：对比 Pb 和 Pb/Sr 样品在旋涂、气相辅助结晶（VAC）和热退火过程的 PL 光谱发现，Sr 掺杂可延缓钙钛矿结晶。Pb/Sr 钙钛矿在退火过程有明显的两步结晶过程，大晶粒对应富 FA 钙钛矿相，泥滩状簇对应富 Cs 非钙钛矿相，退火时两者发生阳离子交换，使 PL 光谱蓝移、XRD 峰向大角度移动。XPS 测量和理论模拟表明，SrBr₂与 CsBr 间的强相互作用阻碍了 FA/Cs 混合钙钛矿的初始生长，促进富 FA 钙钛矿生长，后续 Cs⁺迁移进入富 FA 钙钛矿框架，维持高质量晶粒。
  研究结论表明，B 位 Pb/Sr 合金可通过形成有序的分步结晶过程，降低蓝色钙钛矿薄膜的缺陷密度。基于这种全位点合金策略，研究人员成功制备出高效明亮的蓝光和深蓝光 PeLEDs。该研究为实现高性能多组分钙钛矿提供了重要指导，为钙钛矿在光电子领域的应用开辟了更广阔的前景，有望推动全彩显示等相关技术的进一步发展。