复旦大学高分子科学系汪伟志

jianchi

近些年，具有优异光电性能的金属卤化物钙钛矿材料制备的发光二极管（LED）得到迅速发展。尽管，在绿光、红光和近红外范围内钙钛矿发光器件的最大外量子效率均实现20%的突破，但是在蓝光，尤其是深蓝光 (<460 nm) 范围内，器件性能较低制约了钙钛矿LED进一步商业化应用的发展。因此，对高效深蓝光钙钛矿发光器件的研究得到了科学家们的广泛关注。为了进一步提升器件效率，设计并合成出具有高光致发光量子产率、稳定发光颜色的新型钙钛矿材料至关重要。

       复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室，高分子科学系汪伟志研究团队提出了一种实现钙钛矿稳定蓝光发射调控的重要策略——通过引入尺寸合适且具有一定刚性的有机阳离子，可以合成出具有稳定层状结构的二维钙钛矿单晶。在严格控制溶剂含水量的情况下，利用旋涂法原位形成高质量的钙钛矿薄膜可制备出高效的深蓝光钙钛矿二极管。该研究首先用苯并咪唑（BI）阳离子取代了传统的Cs+, CH3NH4+,合成出了一种层状二维钙钛矿BI2PbBr4单晶，其表现出了独特的深蓝光发射和高光致发光量子产率。Pb-Br层为发光中心，彼此之间被有机层隔开，相邻苯并咪唑苯环之间的п-п相互作用，进一步增强了层状结构的稳定性。通过密度泛函理论，进一步验证了上述实验结果。此外，研究者对比了无水和含水溶剂中生长出的晶体结构及其光谱性质，发现后者的发射峰发生了明显的红移，可认为是从溶解度更小的含水溶剂中生长出的单晶具有更紧密的晶体结构，相邻Pb-Br层的距离被压缩使其层间耦合程度增加所致。同时，通过SEM，AFM和GIXRD表征发现，在严格控制制备条件时，原位生成的钙钛矿薄膜与传统铅卤钙钛矿薄膜相比，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结晶程度。改性后的钙钛矿薄膜可制备出高效的钙钛矿LED，实现了449 nm处的深蓝色电致发光，最大亮度为1315 cd/m2，最大外量子效率为3.08%。
       该研究工作不仅制备出了高性能的深蓝光钙钛矿二极管，还提出了一种制备稳定层状结构钙钛矿的有效方法。同时，揭示了制备条件控制（溶剂的含水量）对钙钛矿的晶体结构、光学性能和薄膜形貌的重要作用，对今后钙钛矿的合成及其在光电器件中应用的进一步探索工作具有借鉴意义。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202001709)上。