中国科大Nature：基于三维异质结设计实现高性能纯红钙钛矿发光二极管

稀、饭 2天前 151浏览

一、 【科学背景】   

金属卤化物钙钛矿是有前途的下一代发光二极管（LED）发光体候选材料。在纯红色钙钛矿LED（PeLED）中同时实现高亮度和高效率是当前的一个目标。三维（3D）CsPbI3-xBrx发射体具有出色的载流子传输能力和高色彩纯度，这可以使纯红色PeLEDs实现高效和超高亮度。然而，这种设备容易出现效率下降，导致在高电流密度下效率和亮度较低。中国科学技术大学宋永慧（博士）、李波（博士后）、王子健（博士研究生）和台晓琳（博士研究生）为共同第一作者，中国科学技术大学姚宏斌教授、樊逢佳教授、林岳教授和胡伟教授为共同通讯作者，团队自主发明了电激发瞬态光谱（EETA）技术，并用该技术揭示出空穴泄漏是导致纯红三维钙钛矿LED效率滚降的关键因素，并开发出新型三维钙钛矿异质结发光层降低空穴泄漏（图1），成功制备出高性能纯红钙钛矿LED。相关研究成果以“Intragrain 3D perovskite heterostructure for high-performance pure-red perovskite LEDs”为题目发表在国际顶级期刊Nature上。

   

二、【科学贡献】

图1 . 三维立方相CsPbI3-xBrx基纯红色钙钛矿发光二极管（PeLEDs）的效率下降机制。© 2025 Nature

图2 三维CsPbI3-xBrx钙钛矿异质结的设计与材料表征。© 2025 Nature

图3 晶内三维异质结构对抑制钙钛矿发光二极管（PeLEDs）中空穴泄漏的影响。© 2025 Nature

图4 三维异质结CsPbI3-xBrx基纯红LED的性能。© 2025 Nature 

三、【 创新点】  

1．开发了一种含有窄带隙发射体和宽带隙势垒的CsPbI3-xBrx晶内异质结构，以限制注入的载流子。

  1. 通过将强键合分子引入[PbX6]4−框架中以扩展3D CsPbI3-xBrx晶格，从而整合了宽带隙势垒。
  2. 具有24,600 cd m−2的高亮度、24.2%的最大外量子效率和低效率下降，在22,670 cd m−2的高亮度下保持了10.5%的外量子效率。

四、【 科学启迪】

已报道的高性能纯红钙钛矿LED（外量子效率超20%）主要使用准二维和小尺寸量子点钙钛矿，然而受限于其低载流子迁移率，亮度难以提升。三维混合卤化物钙钛矿（例如CsPbI3-xBrx）有高载流子迁移率，但是目前使用CsPbI3-xBrx三维钙钛矿LED效率在亮度升高时下降严重，由于缺乏LED原位表征设备，背后机理不明。为了解决这一问题，研究团队利用电激发瞬态吸收光谱技术，发现效率下降是由空穴泄漏引起的。基于这一发现，他们开发了一种新型的CsPbI3-xBrx晶内异质结构，该结构包含窄带隙发射体和宽带隙势垒，用于限制注入的载流子。通过将强键合分子引入[PbX6]4−框架中，成功扩展了3D CsPbI3-xBrx晶格，构建了宽带隙势垒。实验结果表明，这种新型异质结构显著提升了纯红色PeLEDs的性能。器件实现了24,600 cd/m−2的高亮度和24.2%的最大外量子效率，同时在22,670 cd/m−2的高亮度下仍能保持10.5%的外量子效率，显示出较低的效率下降。这一成果不仅揭示了3D CsPbI3-xBrx基PeLEDs中效率下降的机制，还通过创新的材料设计策略，为高性能纯红色钙钛矿LED的发展提供了新的思路和方法，有望推动其在显示和照明领域的实际应用。 

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08867-6

本文由金爵供稿。

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