近日，南方科技大學電子與電氣工程系副教授王愷課題組在藍光鈣鈦礦LED領域和鈣鈦礦單晶薄膜生長機制方面取得研究進展，相關成果發表在學術期刊ACS Energy Letters、Nano-Micro Letters和Advanced Science上。

新型顯示產業是我國為數不多的能夠改變全球相關產業格局的國家戰略性新興產業之一，具有極強的產業帶動力和輻射力。鈣鈦礦發光二極管（Perovskite Light-Emitting Diode, PeLED）是用鈣鈦礦材料作為發光層進行電光轉換的器件。鈣鈦礦具有發光峰窄、色域廣、波長易調、制備方法靈活兼顧低成本等特點，因此PeLED在顯示領域極具應用前景，而高效率藍光PeLED是其所面臨的重要挑戰之一。

具有大激子結合能、窄發射線寬的CsPbBr3鈣鈦礦納米片（NPL）是廣色域顯示藍光（460-470nm）發射層極具競爭力的候選者，但其電致發光性能受限于較差的載流子傳輸效率。短鏈配體封端的NPL可以有效改善載流子注入能力。然而，配體鏈長的減小會使得NPL厚度精準控制充滿挑戰，從而難以獲得所需的發射波長。

研究團隊提出”富銨（NH4+）”配體包覆策略，有效控制了晶體生長動力學并鈍化表面缺陷，實現了同時具有載流子高效注入和可控發射特性的短配體（丁胺和肉豆蔻酸）封端的CsPbBr3 NPL。

同時，使用短共軛配體苯乙胺溴進行后處理鈍化缺陷，進一步提高了NPL的電學性能和發光效率（薄膜光致發光量子產率超過80%）。所制備PeLED最大外量子效率為2%（λ=463nm），為文獻所報道藍光NPL PeLED中的最高值。

相關成果以”Efficient CsPbBr3 Nanoplatelet-Based Blue Light-Emitting Diodes Enabled by Engineered Surface Ligands”為題發表在ACS Energy Letters上，并作為期刊封面進行了報道。課題組訪問博士生王浩然為論文第一作者，王愷和哈工大（深圳）教授趙維巍為共同通訊作者。

a）”富NH4+””配體殼層的作用機理; b）NPL的TEM和HRTEM圖; c）藍光NPL PeLED性能對比

另一方面，鈍化鈣鈦礦缺陷，抑制非輻射復合損失，是提高PeLED效率的重要途徑。理想的鈍化劑除了滿足基本的缺陷鈍化作用外，還應同時具備強載流子限域作用和快載流子傳輸性能，從而能夠在降低非輻射復合的同時促進載流子傳輸并產生高效輻射復合。有機長碳鏈鈍化分子由于介電常數小，其對載流子產生的強限域作用能夠有效提高輻射復合效率。然而有機長鏈會嚴重阻礙載流子傳輸性能，而短鏈分子的作用恰好與此相反。

鑒于此，研究團隊采用有機鈍化分子（TBPO）不僅提高了載流子限域作用，增加輻射復合，同時還促進了電荷傳輸，提高了電荷復合效率，從而兼顧了載流子限域與傳輸性能。最終制備的藍光PeLED獲得了高達11.5%（λ=488 nm）的外量子效率，躋身國際上藍光PeLED最高性能之列。

相關成果以”High-Performance Blue Quasi-2D Perovskite Light-Emitting Diodes via Balanced Carrier Confinement and Transfer”為題發表在Nano-Micro Letters上。課題組訪問博士后任振偉為論文第一作者，王愷、南科大電子與電氣工程系教授陳銳和香港大學教授Wallace C. H. Choy為共同通訊作者。

a）TBPO鈍化分子兼顧電荷傳輸與限域作用; b）藍光PeLED外量子效率-電流密度曲線
（插圖：光譜色坐標，器件工作光譜保持穩定）

鈣鈦礦單晶材料具有無晶界、缺陷態密度低、載流子壽命長、穩定性好等優點，被譽為極具前景的光電材料，在LED、激光、光電探測、太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景，而傳輸層上原位生長高質量鈣鈦礦單晶薄膜是其中重要的發展趨勢。

研究團隊系統研究了在不同生長環境中鈣鈦礦單晶薄膜特性，結合理論分析，確定了影響鈣鈦礦單晶薄膜傳輸層原位生長的要素和最佳點，即前驅體溶液與傳輸層之間的低界面能、慢升溫速率和適中的前驅體溶液濃度。最終制備出缺陷密度僅為2.68×1010cm-3、面積厚度比為創紀錄的1.94×104mm（薄膜厚度為540nm）的高質量MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜。

得益于此，該鈣鈦礦單晶薄膜的載流子遷移率高達141cm2V-1S-1，為文獻所報道MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜中的最高值，并具有超過360天的長期晶體結構穩定性。同時，該工作也證實了該”最佳點”同樣適用于傳輸層原位生長其他鈣鈦礦單晶薄膜，包括MAPbI3、(PEA)2PbI4和(PEA)2PbBr4，說明該生長條件具有一定的普適性。

相關成果以”In Situ Growth Mechanism for High-Quality Hybrid Perovskite Single-Crystal Thin Films with High Area to Thickness Ratio: Looking for the Sweet Spot”為題發表在Advanced Science上。

王愷課題組研究助理唐曉冰（現為美國肯塔基大學博士生）和哈工大聯培博士生汪召錦為論文共同第一作者，王愷、深圳技術大學助理教授（副研究員）吳丹和美國肯塔基大學教授楊福前為共同通訊作者，南科大是論文第一單位。

MAPbBr3鈣鈦礦單晶薄膜的原位生長機制

上述研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省自然科學杰出青年基金、深圳市基礎研究項目，以及能量轉換與存儲技術教育部重點實驗室、粵港澳光熱電能源材料與器件聯合實驗室、廣東省普通高校量子點先進顯示與照明重點實驗室的支持。（來源：南方科技大學電子與電氣工程系）