近日，上海交通大學環境科學與工程學院李良教授課題組與合作團隊在Nature Photonics期刊在線發表了題為“Suppression of temperature quenching in perovskite nanocrystals for efficient and thermally stable light-emitting diodes”的研究論文。該工作中，李良教授團隊報道了一種通過氟離子表面鈍化實現鈣鈦礦納米晶在室溫到100℃范圍熒光近乎零“熱淬滅”的策略，所制備的LED電致發光器件也具有優異的抗“熱淬滅”性能。
李良團隊近年致力于解決限制熒光半導體納米晶（量子點）應用的“穩定性”瓶頸問題，在實現量子點穩定性提升及LED等應用推動方面取得一系列創新研究成果。鈣鈦礦量子點作為一種新型顯示材料，具備優異的發光效率和色純度，而且材料本身制備簡單、成本低、易放大生產，成為照明顯示領域基礎和應用研究炙手可熱的明星材料。然而鈣鈦礦量子點離子晶體的本征穩定性差對其應用提出了巨大的挑戰。針對這一問題，李良團隊先后提出二氧化硅“無水包覆”（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138），硅鋁氧化物復合包覆(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56)和MOF封裝(Nat. Commun. 2017, 8)等一系列提高鈣鈦礦量子點穩定性的包覆技術。2020年，團隊巧妙利用多孔模板高溫崩塌實現原位致密封裝獲得穩定性媲美陶瓷熒光粉的鈣鈦礦量子點，使鈣鈦礦量子點在LED芯片直接“on chip”封裝應用成為可能，同時有利于傳統的量子點背光膜擺脫對阻隔膜的依賴（Nat. Commun. 2020, 11, 31），引起了產業界的廣泛關注。
近年來，量子點LED電致發光器件作為下一代照明顯示器件，成為科研及工業界的寵兒。鈣鈦礦量子點電致發光LED的效率和穩定性是決定其實現規模化商業應用的關鍵因素。當前，鈣鈦礦量子點的穩定性研究主要集中在水、氧或者光照等三個因素對其晶體結構以及發光效率的影響。然而，量子點在環境溫度升高的情況下同樣面臨發光強度變弱的問題，即所謂的熒光“熱淬滅”，這對實際應用產生非常不利的影響。例如，量子點LED電視點亮時內部結構溫度升高，如果量子點發生“熱淬滅”，將導致電視屏幕色彩偏移、亮度減弱，嚴重影響用戶體驗。究其原因，是因為量子點晶體結構中熱激活的缺陷活化能較低，當環境溫度升高時，大量產生此類缺陷，從而捕獲光生激子導致電子-空穴非輻射復合幾率增大，最終致使量子點發光效率銳減以及發射波長偏移。在實際應用中LED電致發光器件在電場作用下因產生焦耳熱其結點溫度可達到85℃甚至更高, 因此擁有較好的抗熱淬滅性能是鈣鈦礦電致發光LED實際應用的必要條件。
有鑒于此，李良教授團隊采用表面鈍化策略，利用有機氟離子后處理鈣鈦礦量子點，首次實現環境溫度處于100℃范圍內量子點熒光性能近乎零淬滅。同時，以此量子點為發光層所制備的LED電致發光器件獲得室溫下19.34%的外量子效率，器件原位變溫測試顯示70℃環境溫度范圍內仍保持高于初始的80%的外量子效率，而無氟處理的樣品則衰減至初始的10%。該研究表明氟離子的引入僅存在于量子點表面且形成Type-I結構，不僅鈍化量子點表面缺陷，提高了量子點的熒光量子效率，為獲得高性能器件提供可能；同時還極大提高熱激活的缺陷活化能，降低激子被熱活化缺陷捕獲的概率，提高鈣鈦礦量子點熒光抗“熱淬滅”性能，最終增強LED電致發光器件抗熱性，拓寬了其未來商業化應用場景。
圖 鈣鈦礦量子點鈍化前后（a)電致發光器件結構，(b)熒光熱淬滅實物圖，(c)熒光量子效率及壽命，(d) 能帶排布，(e) 局域態密度變化，（f）原子結構模擬
環境科學與工程學院劉明明博士、萬群博士，機械與動力工程學院汪華苗副教授為論文共同第一作者，意大利米蘭-比科卡大學Brovelli Sergio教授與李良教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃（no. 2017YFE0127100）、國家自然科學基金（NSFC 21773155）、廣東省重點研發項目（2019B010924001）、上海交通大學重點前瞻布局基金、上海市揚帆計劃（19YF1422200）等基金支持。
