近日，国际权威学术期刊《自然》（Nature）在线发表南开大学化学学院教授袁明鉴、中国科学院院士陈军、研究员章炜领衔的科研团队在新型钙钛矿超高清显示技术领域的最新研究进展。
该研究题为“Perovskite heteroepitaxy for high-efficiency and stable pure-red LEDs”。团队针对新型钙钛矿超高清显示技术中纯红光CsPbI3钙钛矿量子点材料相稳定性差这一世界难题，率先提出“外延异质结界面应力操控”策略，首次利用全溶液法实现钙钛矿范德华外延异质结的大面积原位可控制备，成功突破材料稳定性与器件性能双重瓶颈，研发出高效率与高稳定性兼备的纯红光钙钛矿电致发光器件 (LED)，为下一代超高清显示技术发展提供了关键技术支撑，标志着在该领域的重大技术突破。
钙钛矿材料具有荧光量子产率高、色纯度高、色域广等独特优势，被认为是下一代超高清显示技术的理想材料。作为红、绿、蓝三基色之一，纯红光钙钛矿LED对实现满足Rec. 2100超广色域标准的下一代超高清显示系统至关重要。然而，纯红光钙钛矿LED长期受困于材料稳定性差的难题。
CsPbI3钙钛矿量子点具有尺寸依赖的可调带隙发光，是实现纯红光钙钛矿LED的理想材料。然而，CsPbI3钙钛矿本征相稳定性较差，其体相材料在室温下就易发生相转变，转化为非光学活性相。更严峻的是，CsPbI3钙钛矿量子点由于粒径极小、表面能极大，导致其在室温下几乎无法稳定存在。因此，理解亚稳态CsPbI3钙钛矿量子点相转变机制，在此基础上发展高效相稳定性提升新策略，进而实现高效与高稳定兼备的纯红光钙钛矿LED，是推动钙钛矿发光材料在超高清显示应用的必然需求。
图：全溶液法原位构建的钙钛矿范德华外延异质结材料、发光薄膜与LED器件
袁明鉴教授、陈军院士、章炜研究员带领的科研团队，长期从事高性能半导体光电转换材料及器件研究。在持续探索高效高稳定性钙钛矿光电材料的过程中，研究团队发现通过晶格应力操控实现钙钛矿局部晶格扭曲，可以显著增强亚稳态钙钛矿材料的相稳定性。基于上述发现，研究团队利用配体分子结构设计调控，首次报道了一种全溶液法原位制备钙钛矿范德华外延异质结以提升钙钛矿量子点相稳定性的全新策略。结合球差校正透射电镜表征与密度泛函理论研究，研究团队首次揭示了钙钛矿外延异质结构的界面应力对钙钛矿量子点晶格结构的调控机制。
研究表明，界面应力诱导的晶格扭曲可以有效抑制CsPbI3钙钛矿量子点的相转变过程，显著提升材料的稳定性。所获得的CsPbI3钙钛矿量子点导电薄膜具有优异的稳定性和光电性质。在此基础上，团队成功研发了兼具世界一流性能及稳定性的纯红光钙钛矿LED，解决了长期困扰该领域的瓶颈问题。
该研究立足化学基础学科，汇聚材料、物理、半导体器件等多学科力量，发展透射电镜结构表征先进技术，实现了钙钛矿范德华外延异质结的新物质创造，攻克了纯红光钙钛矿LED核心材料稳定性难题，有望进一步推动超高清显示产业技术革新。
该工作由南开大学主导，联合北京师范大学、香港大学、洛桑联邦理工学院、沙特国王大学等8家国内外机构共同完成，南开大学为该论文第一完成单位也是唯一通讯单位。化学学院博士研究生韦科妤、周峒和特聘研究员姜源植为该论文共同第一作者。袁明鉴教授、陈军院士、章炜研究员为该论文通讯作者。袁明鉴教授负责材料与器件的整体设计，陈军院士主要负责分子结构设计与表征平台建设，章炜研究员负责透射电镜表征工作。
上述研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金委创新群体等项目支持，依托特种化学电源全国重点实验室、有机新物质创造前沿科学中心、物创海河实验室等平台开展。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08503-9
